CN113783653B - 一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，以解决目前波分复用技术中光接收机集成尺寸大，功耗大、偏振敏感的问题。该系统包括光耦合器和n个光接收通道，n为光纤中不同波长光信号的数量，n≥1；光耦合器为二维正交光栅耦合器或边缘耦合器；光接收通道包括微环谐振器滤波器、探测器和跨阻放大器；微环谐振器滤波器包括两个级联的微环谐振器，每个微环谐振器滤波器为一个波长滤出通道，微环谐振器半径与滤出光信号波长的关系为：mλm＝2πrneff，其中m为谐振级次，λm为第m级次的谐振波长，r为微环谐振器的半径，neff为微环谐振器的有效折射率；探测器用于将光信号转化为电信号，并经跨阻放大器放大后输出。

Description

一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统
技术领域
本发明涉及波分复用光接收机，具体涉及一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统。
背景技术
随着生活质量的提高，个人终端设备得到普及，庞大的网络用户群体的通信数据快速增长，现代社会对扩大通信系统容量的需求越来越迫切。在各种扩展光互连和光通信的手段中，光波分复用(WDM)技术可以提高信号传输的效率，同时非常便于在现有的光纤通路中拓展信道增加新业务，得到了人们的关注。
光波分复用技术在信号发射器将不同波长的光经复用器进行复用从而在同一根光纤中传输，在接收器端通过解复用器将信号按波长分开，进行处理后还原回原来的信号，实现在一根光纤中的多波长信道传输。
光接收机是波分复用技术中的重要器件，现阶段商用的光接收机大多采用分离式的光电元件，虽然性能满足要求，但是尺寸太大，封装方案难度大，成本也高，不适合工厂规模生产，限制了应用场景。
光接收机采用片上集成的方法，常采用阵列波导光栅的方法，但是阵列波导光栅的技术方案存在尺寸大、结构复杂、串扰高、损耗高等缺陷。
采用集成式的光接收机存在偏振敏感问题：光纤中的光信号经过一定距离的传输后，偏振态已经变得随机，而大部分硅波导元件都是偏振敏感的，光纤中的信号无法被高效的利用。
发明内容
本发明的目的在于解决目前波分复用技术中光接收机集成尺寸大，功耗大、偏振敏感的问题，提出一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，集成化的实现波分复用光接收机功能的同时，具有对偏振不敏感、灵敏度高、带宽大、功耗低、结构简单的优势。
本发明提供的技术方案为：
一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特殊之处在于：
包括光耦合器和n个光接收通道，n为使用波分复用传输中不同波长光信号的数量，n≥1；
所述光耦合器为二维正交光栅耦合器或边缘耦合器，光耦合器用于将光纤中以LP01模式传输的光耦合到两路波导中，耦合到两路波导中的光均以相同的偏振模式传输；所述每路波导中均包含n个波长光信号，两路波导形成闭环使n个波长的光信号分别进入对应的光接收通道；
所述光接收通道包括微环谐振器滤波器、探测器和跨阻放大器；
所述微环谐振器滤波器包括两个级联的微环谐振器，每个微环谐振器滤波器为一个波长滤出通道，每个波长滤出通道滤出两路波导中对应同一波长的两路光信号；所述微环谐振器半径与滤出光信号波长的关系为：mλm＝2πrneff，其中m为谐振级次，λm为第m级次的谐振波长，r为微环谐振器半径，neff为微环谐振器的有效折射率，两个级联的微环谐振器的半径和有效折射率相同；
所述探测器用于接收波长滤出通道滤出的对应波长的两路光信号，并进行信号的转换、相加并输出电流信号；
所述电流信号经跨阻放大器放大后输出。
进一步地，所述二维正交光栅耦合器将光纤中LP01光分解为两束偏振方向正交的光LP01x与LP01y，通过耦合、偏振分集将LP01x光耦合入波导中对应x端口以TE模式传输，将LP01y光耦合入波导中对应y端口同样以TE模式传输，或者通过耦合、偏振分集将LP01x光耦合入波导中对应x端口以TM模式传输，将LP01y光耦合入波导中对应y端口同样以TM模式传输；
所述边缘耦合器包括模式转换器、偏振分束器和偏振旋转器；边缘耦合器将光纤中以LP01模式传输的光通过模式转换器和偏振分束器耦合到两个波导中，分别以TM和TE模式传输，其中TM模式的光经过偏振旋转器被转换成TE模式在一路波导中传输，另一路波导中的光以TE模式传输，或者TE模式的光经过偏振旋转器被转换成TM模式在一路波导中传输，另一路波导中的光以TM模式传输。
可以理解的是两种光耦合器均实现了将光纤中的的LP01模式光耦合进两个波导中，且两个波导中的光信号以相同的模式传输，也就是说两路光信号都耦合成了TE偏振态或TM偏振态中的一种偏振态，实现了光接收机偏振不敏感。
进一步地，还包括加热器和信号反馈控制电路，每个所述微环谐振器上均设置有加热器，所述信号反馈控制电路的输入信号为探测器的输出电流信号，信号反馈控制电路的输出信号传输给加热器。
因为加工工艺和环境温度的原因，微环谐振器滤波器滤出的滤波会出现中心波长的偏移和漂移，在波分复用光接收机系统设置信号反馈控制电路和加热器，通过信号反馈控制电路调节加热器，可以实现微环谐振器的波长稳定功能，纠正中心波长频率偏移并抑制中心波长频率漂移。
进一步地，所述加热器为金属加热器或电阻加热器。
进一步地，所述探测器为光电平衡探测器，所述光电平衡探测器包括相移器、180°混频器和光电二极管，用于将波长滤出通道滤出的两路对应波长光信号经相移器使两路光的相位差保持90°，两路相位差为90°的光信号经过180°混频器混频后进入光电二极管实现信号的相加；所述信号反馈控制电路的输出信号还传输给相移器。
进入光电平衡探测器的两路光信号经过相移器后相位差为90°，当相位差偏移时，通过信号反馈控制电路的输出信号对相移器进行调节，保证两路光信号的相位差同时也保证了后续经180°混频器混频时得到符合要求的混频相干光。
进一步地，所述探测器为光电二极管探测器，所述光电二极管探测器为双向可入射光信号的探测器，用于接收波长滤出通道滤出的两路对应波长光信号，两路光信号在同一光电二极管中实现信号相加。
进一步地，所述光电二极管探测器为雪崩光电二极管探测器。
进一步地，所述二维正交光栅耦合器或边缘耦合器中的波导材料为硅，所述波导的厚度为220nm-500nm；可实现对1260nm-1360nm或1530nm-1625nm波段的波分复用，或者所述二维正交光栅耦合器或边缘耦合器中的波导材料为铟磷。
进一步地，所述每一个波长滤出通道的光学带宽大于对应通道的调制带宽，微环谐振器滤波器的插入损耗小于2dB，光学带宽大于50GHz。
微环谐振器的插入损耗小，光学带宽高，有利于光信号传输。
进一步地，所述二维正交光栅耦合器两个端口合计对LP01偏振模式的耦合效率在-5dB以上。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的光接收机的光耦合器通过偏振分集的方式，将光纤中以LP01模式传输的光耦合到两个波导中，耦合进两个波导中的光信号均以相同的偏振态传输，实现光接收机偏振不敏感，以解决光纤中信号经过长距离传输偏振态已经变得随机的问题。
2、本发明利用微环谐振器滤波器实现对两个波导中不同波长的光信号进行滤出，实现解波分复用，采用的两个级联微环谐振器结构简单，用于集成结构中使系统的体积小，结构紧凑，大大缩小了波分复用光接收机的尺寸，使应用场景更广泛。
3、本发明的光电二极管探测器可实现两路光信号的双向入射，实现光信号在二极管中的信号相加；光电平衡探测器能够抑制共模噪声并且能充分利用微环谐振器滤波器滤出的两路光信号，减少信号在转化时的损耗。
附图说明
图1为本发明实施例基于微环谐振器的波分复用光接收机系统的示意图(图中探测器为双向可入射的光电二极管探测器，加热器未示出)；
图2为本发明实施例基于微环谐振器的波分复用光接收机系统的示意图(图中探测器为光电平衡探测器，加热器未示出)；
图3为本发明实施例二维正交光栅耦合器原理示意图；
图4为本发明实施例边缘耦合器原理示意图；
图5为本发明实施例信号反馈控制电路逻辑图；
图6为本发明实施例微环谐振器滤波器滤出光波示意图；
图7为本发明光电平衡探测器原理示意图。
附图标记如下：
1-二维正交光栅耦合器，2-微环谐振器滤波器，3-光电二极管探测器，4-跨阻放大器，5-相移器，6-180°混频器，7-光电二极管，8-边缘耦合器，9-偏振旋转器，10-加热器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做具体说明。
参见图1，基于微环谐振器的波分复用光接收机包括光耦合器和n个光接收通道，n为使用波分复用传输中不同波长光信号的数量，n≥1；
本实施例中光耦合器为二维正交光栅耦合器1，探测器为雪崩光电二极管探测器。
光耦合器用于将光纤中以LP01模式传输的光耦合到两路波导中，耦合到两路波导中的光均以相同的偏振模式传输；所述每路波导中均包含n个波长光信号，两路波导形成闭环使n个波长的光信号分别进入对应的光接收通道。
参见图3，单模光纤中LP01模式的光分解为两束偏振方向正交的光LP01x与LP01y，二维正交光栅耦合器1通过耦合、偏振分集将LP01x光耦合入波导中对应x端口以TE模式传输，将LP01y光耦合入波导中对应y端口同样以TE模式传输。
可以理解的是，二维正交光栅耦合器1也可以通过耦合、偏振分集将LP01x光耦合入波导中对应x端口以TM模式传输，将LP01y光耦合入波导中对应y端口同样以TM模式传输。以TE模式传输方式为优选，使用TE模式使光耦合器的尺寸更小，集成密度更高，损耗低。二维正交光栅耦合器1两个端口合计对LP01偏振模式的耦合器效率在-5dB以上；优选的，二维正交光栅耦合器1两个端口合计对LP01偏振模式的耦合器效率在-3dB以上。
本实施例中采用的二维正交光栅耦合器1在绝缘体硅层上进行周期啁啾的浅刻蚀，设置在绝缘体上的波导选择材料为硅或铟磷，其中，硅波导的厚度为220-500nm，包层为二氧化硅，可以对1260-1360nm或1530-1625nm波段的波分复用。
在另一个实施例中,光耦合器可以是边缘耦合器8，边缘耦合器8包括模式转换器、偏振分束器和偏振旋转器9；参见图4，边缘耦合器8将光纤中以LP01模式传输的光通过模式转换器耦合到光波导中，再通过偏振分束器耦合到两个波导中，分别以TM和TE模式传输，其中TM模式的光经过偏振旋转器9被转换成TE模式在第一路波导中传输，第二路波导中的为同样TE模式光传输，或者TE模式的光经过偏振旋转器9被转换成TM模式在第二路波导中传输，第一路波导中的为同样TM模式光传输。
可以理解的是，二维正交光栅耦合器1和边缘耦合器8均实现了将单模光纤中LP01模式传输的光耦合到两个方向的波导中，耦合到两路波导中的光均以相同的偏振模式传输，使光接收机偏振不敏感。
每路波导中均包含n个波长光信号，两路波导形成闭环使每路波导中n个波长的光信号分别进入对应的光接收通道。
光接收通道包括微环谐振器滤波器2、探测器和跨阻放大器4。
微环谐振器滤波器2包括两个级联的微环谐振器，每个微环谐振器滤波器2为一个波长滤出通道，每个波长滤出通道滤出两个波导中对应同一波长的两路光信号。每一个波长滤出通道的光学带宽大于对应通道的调制带宽，微环谐振器滤波器2的插入损耗小于2dB，优选的，微环谐振器滤波器2的插入损耗小于1dB，光学带宽大于50GHz。
通过调整微环谐振器的半径，使光耦合器输出的两个波导中的光信号根据不同的波长，进入不同的波长滤出通道，波长滤出通道将进入的对应光信号滤出，滤出的每个波长都对应两束光信号，参见图6。
所述微环谐振器半径与滤出光信号波长的关系为：mλm＝2πrneff，其中m为谐振级次，λm为第m级次的谐振波长，r为微环谐振器的半径，neff为微环谐振器的有效折射率，两个级联的微环谐振器的半径和有效折射率相同；
本实施例中采用双向可入射的雪崩光电二极管探测器，其工作原理为：每个微环谐振器滤波器2通道滤出的两路行进方向相反的光信号在双向可入射的雪崩光电二极管实现信号相加，同频的两路光信号可以表示为：
Figure BDA0003219946490000081
Figure BDA0003219946490000082
其中
Figure BDA0003219946490000083
和
Figure BDA0003219946490000084
为对应信号光的瞬时相位，E1(t)、E2(t)为两路光信号与时间t相关的电场场强。经过双向可入射的雪崩光电二极管得到的电流信号为：
Figure BDA0003219946490000085
其中A1(t)、A2(t)为两个光信号与时间t相关的振幅，R为光电二极管或雪崩光电二极管的响应度，i(t)为与时间t相关的探测器产生的电流强度。
电流信号输出并通过跨阻放大器4完成信号的放大后供终端设备使用。
同时，雪崩光电二极管探测器的输出端将电流信号输入信号反馈控制电路，信号反馈控制电路通过反馈调节设置在每个微环谐振器上的加热器10，可以实现微环谐振器滤波器2的波长稳定功能，抑制中心波长频率漂移，避免因为环境温度影响使微环谐振器滤波器2滤出的滤波出现中心波长的漂移现象，加热器10采用氮化钛加热器或电阻加热器。
在另一实施例中，参见图2，探测器可以是光电平衡探测器，光电平衡探测器包括相移器5、180°混频器6和光电二极管7，参见图7，具体的，波长滤出通道滤出的两路对应波长光信号的其中的一路通过相移器5来保证两路光相位相差90°。两路光再经过180°混频器6后，可以得到两路混频相干光，180°混频器6结构可以为4端口定向耦合器，其传输矩阵可以表示为：
Figure BDA0003219946490000091
其中Eout1、Eout2为两个输出端口各自的光信号振幅，E1、E2为两个输入端口各自的光信号振幅，得到的两个输出光信号的相位之差为180度。
两路混频相干光经过平衡光探测，进行电流相减运算，相减后的电流信号可以表示为：
Figure BDA0003219946490000092
其中
Figure BDA0003219946490000093
为90°，i为电流强度，t为时间，R为光电探测器响应度，A1、A2为平衡探测器中两路光信号各自的振幅，
Figure BDA0003219946490000094
为两路光信号各自的相位。电流信号输出并通过跨阻放大器4完成信号的放大后供终端设备使用。
参见图5，光电平衡探测器的输出端将电流信号输入信号反馈控制电路，信号反馈控制电路通过反馈调节相移器5和设置在每个微环谐振器上的加热器10，一方面，通过反馈调节加热器10可以实现微环谐振器滤波器2的波长稳定功能，抑制中心波长频率漂移，避免因为环境温度影响使微环谐振器滤波器2滤出的滤波出现中心波长的漂移现象，加热器10采用氮化钛加热器或电阻加热器；另一方面，通过调节反馈调节相移器5保证在使用光电平衡探测器时两路光信号的相位差，同时也保证了后面过程中经180°混频器6混频时得到符合要求的混频相干光。由公式可以看出，平衡探测器的优点在于抑制了共模噪声并充分利用两路光强。
可以理解的是，本发明中的两种光耦合器和两种探测器可以任意组合，也就是说，基于微环谐振器的波分复用光接收机系统可以包括二维正交光栅耦合器1、微环谐振器滤波器2和光电平衡探测器，或者包括二维正交光栅耦合器1、微环谐振器滤波器2和光电二极管探测器3，或者包括边缘耦合器8、微环谐振器滤波器2和光电平衡探测器，或者包括边缘耦合器8、微环谐振器滤波器2和光电二极管探测器3。

Claims (10)

1.一种基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：包括光耦合器和n个光接收通道，n为使用波分复用传输中不同波长光信号的数量，n≥1；
所述光耦合器为二维正交光栅耦合器(1)或边缘耦合器(8)，光耦合器用于将光纤中以LP01模式传输的光耦合到两路波导中，耦合到两路波导中的光均以相同的偏振模式传输；每路波导中均包含n个波长的光信号，两路波导形成闭环使每路波导中n个波长的光信号分别进入对应的光接收通道；
所述光接收通道包括微环谐振器滤波器(2)、探测器和跨阻放大器(4)；
所述微环谐振器滤波器(2)包括两个级联的微环谐振器，每个微环谐振器滤波器(2)为一个波长滤出通道，每个波长滤出通道滤出两路波导中对应同一波长的两路光信号；所述微环谐振器半径与滤出光信号波长的关系为：mλm＝2πrneff，其中m为谐振级次，λm为第m级次的谐振波长，r为微环谐振器的半径，neff为微环谐振器的有效折射率，两个级联的微环谐振器的半径和有效折射率相同；
所述探测器用于接收波长滤出通道滤出的对应波长的两路光信号，并进行信号的转换、相加并输出电流信号；
所述电流信号经跨阻放大器放大后输出。
2.根据权利要求1所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：所述二维正交光栅耦合器(1)将光纤中LP01光分解为两束偏振方向正交的光LP01x与LP01y，通过耦合、偏振分集将LP01x光耦合入波导中对应x端口以TE模式传输，将LP01y光耦合入波导中对应y端口同样以TE模式传输，或者通过耦合、偏振分集将LP01x光耦合入波导中对应x端口以TM模式传输，将LP01y光耦合入波导中对应y端口同样以TM模式传输；
所述边缘耦合器(8)包括模式转换器、偏振分束器和偏振旋转器(9)；边缘耦合器(8)将光纤中以LP01模式传输的光通过模式转换器和偏振分束器耦合到两个波导中，分别以TM和TE模式传输，其中TM模式的光经过偏振旋转器(9)被转换成TE模式在一路波导中传输，另一路波导中的光以TE模式传输，或者TE模式的光经过偏振旋转器(9)被转换成TM模式在一路波导中传输，另一路波导中的光以TM模式传输。
3.根据权利要求2所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：还包括加热器(10)和信号反馈控制电路，每个所述微环谐振器上均设置有加热器(10)，所述信号反馈控制电路的输入信号为探测器的输出电流信号，信号反馈控制电路的输出信号传输给加热器(10)。
4.根据权利要求3所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：所述加热器(10)为金属加热器或电阻加热器。
5.根据权利要求4所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：所述探测器为光电平衡探测器，所述光电平衡探测器包括相移器(5)、180°混频器(6)和光电二极管(7)，用于将波长滤出通道滤出的两路对应波长光信号经相移器(5)使两路光的相位差保持90°，两路相位差为90°的光信号经过180°混频器(6)混频后进入光电二极管(7)实现信号的相加；所述信号反馈控制电路的输出信号还传输给相移器(5)。
6.根据权利要求4所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：所述探测器为光电二极管探测器(3)，所述光电二极管探测器(3)为双向可入射光信号的探测器，用于接收波长滤出通道滤出的两路对应波长光信号，两路光信号在同一光电二极管中实现信号相加。
7.根据权利要求6所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：所述光电二极管探测器(3)为雪崩光电二极管探测器。
8.根据权利要求1至7任一所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：所述二维正交光栅耦合器(1)或边缘耦合器(8)中的波导材料为硅，所述波导的厚度为220nm-500nm；可实现对1260nm-1360nm或1530nm-1625nm波段的波分复用；或者所述二维正交光栅耦合器(1)或边缘耦合器(8)中的波导材料为铟磷。
9.根据权利要求8所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：每一个波长滤出通道的光学带宽大于对应通道的调制带宽，微环谐振器滤波器(2)的插入损耗小于2dB，光学带宽大于50GHz。
10.根据权利要求9所述的基于微环谐振器的波分复用光接收机系统，其特征在于：所述二维正交光栅耦合器(1)两个端口合计对LP01偏振模式的耦合效率在-5dB以上。
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