CN114641720A - 偏振系统和方法 - Google Patents

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Abstract

描述了示例偏振分离器和旋转器器件。在一个示例中，一种光学设备包括：分离器，配置为将光信号分离成具有第一偏振的第一信号和具有第二偏振的第二信号；偏振旋转器，配置为将第二信号的第二偏振旋转为第三偏振；和偏振模式转换器，配置为将第二信号的第三偏振转换为第一偏振。在实施例的某些方面，分离器可以为弯曲多模干涉(MMI)偏振分离器，并且偏振旋转器包括输入端口和输出端口，其中输出端口比输入端口宽。偏振模式转换器可以为非对称波导锥形模式转换器。本文描述的器件可以克服常规器件的缺陷，并提供低插入损耗、平坦和/或宽波长响应、高制造公差和紧凑尺寸。

Description

偏振系统和方法
技术领域
本发明总体上涉及光波导器件，并且更具体地涉及改变光信号偏振的光波导器件。
背景技术
偏振分离器和旋转器(PSR)可以为集成光学中使用的无源器件，诸如数据发送机或接收机(例如收发机)。例如，PSR可以使用双偏振分多路复用(DPDM)来使收发机的带宽加倍。PSR也可以用于构建偏振不敏感的接收机，该偏振不敏感的接收机可以检测在光学单模光纤中传输的信号。
当光信号被输入到光子集成电路(PIC)的波导中时，基于输入电路可以知道光信号的偏振。然而，当光信号由接收机接收时，光信号的偏振可以是未知的。实际上，偏振可以为随机偏振或者未知的横电(TE)、横磁(TM)或TE/TM偏振。因此，PSR可以使用定向耦合器将光信号分离成TE偏振和TM偏振，并将光旋转到已知的TE状态，从而可以从光信号中检索数据。
然而，常规PSR可能受到窄波长响应、高插入损耗、对制造误差的敏感性和大尺寸的影响。定向耦合器的耦合比可能对波长敏感，并且可能难以获得平坦的波长响应。此外，相关联的偏振旋转器和模式转换器的尺寸可能相对较大，并表现出光学衰减。
图1示出了常规PSR 100。PSR 100可以包括基于定向耦合器的偏振分离器110、基于双层锥形的TM0到TE1偏振旋转器120和基于非对称马赫-曾德尔干涉仪(MZI)的TE1到TE0模式转换器130。同时具有TE0(即，零阶TE模式)和TM0(即，零阶TM模式)偏振的光信号可以经由输入端口101输入。对于TE0输入，TE0偏振光可以直接传播到直通端口111。对于TM0输入，TM0偏振光可以耦合到交叉端口112，然后当传播通过偏振旋转器120时逐渐转换成TE1(即，一阶TE模式)偏振模式，这可以提供双层锥形。输出的TE1偏振模式然后可以由转换器130分离成两个TE0模式光束，该转换器130也可以在两个光束之间引入额外的π相位差，然后相位对光束进行对准，使得它们可以被转换成从转换器130输出的TE0偏振模式。
图2示出了常规PSR 200的另一个示例。本示例中的操作顺序为偏振旋转、分离和模式转换。TE0/TM0混合偏振光可以在输入端口201处输入。随着输入光传播通过锥形波导偏振旋转器210，TM0模式光可以被转换成TE1模式光，而TE0模式光保持不变。然后，TE1和TE0模式可以在输入211处被输入到模式分离器和旋转器220，然后被模式分离器和旋转器220分离成两个光束。例如，模式分离器和旋转器220可以是Y型接头的定向耦合器或MZI干涉仪。TE0模式光可以在直通端口221处输出。利用模式分离器和旋转器220中的模式转换或模式干涉，可以将TE1模式光转换成TE0模式，并在交叉端口222处输出。
发明内容
在本公开的示例性实施例中，提供了一种传输多个光调制信号以输出到光纤系统的方法。所述方法包括以下步骤：提供配置为发射具有第一偏振的第一波长的光的第一激光源和配置为发射具有所述第一偏振的第二波长的光的第二激光源，所述第二波长不同于所述第一波长；用第一调制器接收由所述第一激光源发射的光的第一部分，并用第二调制器接收由所述第一激光源发射的光的第二部分；用第三调制器接收由所述第二激光源发射的光的第一部分，并用第四调制器接收由所述第二激光源发射的光的第二部分；从所述第一调制器输出第一调制光信号，所述第一调制光信号具有所述第一偏振；从所述第二调制器输出第二调制光信号，所述第二调制光信号具有所述第一偏振；从所述第三调制器输出第三调制光信号，所述第三调制光信号具有所述第一偏振；从所述第四调制器输出第四调制光信号，所述第四调制光信号具有所述第一偏振；多路复用所述第一调制光信号和所述第三调制光信号，以提供具有所述第一偏振的第一多路复用光信号；多路复用所述第二调制光信号和所述第四调制光信号，以提供具有所述第一偏振的第二多路复用光信号；改变所述第二多路复用光信号以具有第二偏振，所述第二偏振不同于所述第一偏振；以及将具有所述第一偏振的所述第一多路复用光信号和具有所述第二偏振的所述第二多路复用光信号组合成第三光信号。
在其示例中，所述方法还包括向光纤系统提供所述第三光信号的步骤。
在其另一个示例中，所述第一激光源和所述第二激光源每一者都为激光二极管。
在其又一个示例中，改变所述第二多路复用光信号以具有所述第二偏振的步骤包括使具有所述第一偏振的所述第二多路复用光信号通过波导偏振旋转器的步骤。
在其又一示例中，所述第一偏振为TE模式偏振。
在其又一个示例中，所述第一偏振为TE模式偏振，并且所述第二偏振为TM模式偏振。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种检测多个波长的多个光信号的方法。所述方法包括以下步骤：接收包括多个偏振混合光信号的光信号，所述偏振混合光信号中的每一者处于各自的波长；将所述多个偏振混合光信号分离成具有第一偏振的第一部分光信号和具有第二偏振的第二部分光信号；将所述第一部分光信号多路分解为具有所述第一偏振的第一波长的第一波长光信号和具有所述第一偏振的第二波长的第二波长光信号；将所述第一波长光信号路由到第一光电探测器，并将所述第二波长光信号路由到第二光电探测器；将具有所述第二偏振的所述第二部分光信号转换成具有所述第一偏振的第三部分光信号；将所述第三部分光信号多路分解为具有所述第一偏振的所述第一波长的第三波长光信号和具有所述第一偏振的所述第二波长的第四波长光信号；以及将所述第三波长光信号路由到所述第一光电探测器，并将所述第四波长光信号路由到所述第二光电探测器。
在其示例中，将具有所述第二偏振的所述第二部分光信号转换成具有所述第一偏振的第三部分光信号的步骤包括以下步骤：使所述第二部分光信号通过波导偏振旋转器，以产生具有第三偏振的第四部分光信号；以及将所述第四部分光信号的偏振改变为所述第一偏振，以产生具有所述第一偏振的所述第三光信号。
在其另一个示例中，所述第一偏振为TE模式偏振。
在其另一个示例中，所述第一偏振为TE模式偏振，并且所述第二偏振为TM模式偏振。
在其又一个示例中，所述第一偏振为TE0模式偏振，所述第二偏振为TM模式偏振，并且所述第三偏振为TE1模式偏振。
在本公开的另一示例性实施例中，提供了一种光学设备。所述光学设备包括：分离器，所述分离器配置为将光信号分离成具有第一偏振的第一信号和具有第二偏振的第二信号；波导偏振旋转器，所述波导偏振旋转器配置为将所述第二信号的所述第二偏振旋转成第三偏振；和偏振模式转换器，所述偏振模式转换器配置为将所述第二信号的所述第三偏振转换为所述第一偏振。
在其示例中，所述分离器是多模干涉(MMI)偏振分离器。在其变型中，所述分离器是弯曲的。
在其另一个示例中，所述偏振旋转器包括输入端口和输出端口，其中所述输出端口比所述输入端口宽。在其变型中，所述输入端口的宽度为420nm或约为420nm，并且所述输出端口的宽度为1000nm或约为1000nm。
在其进一步的示例中，所述偏振旋转器包括肋层和脊层。在其变型中，所述肋层的厚度为90nm或约为90nm。在其进一步的变型中，所述脊层的厚度为220nm或约为220nm。在其又一变型中，所述肋层的宽度为1000nm或约为1000nm。
在其又一示例中，所述偏振模式转换器是非对称波导锥形模式转换器。
在其又一示例中，所述第一偏振为零阶横电(TE)模式偏振，并且所述第二偏振为零阶横磁(TM)模式偏振。
在其又一个示例中，所述第三偏振为一阶横电(TE)模式偏振。
在又一个示例中，具有第一偏振的所述第一信号和具有所述第一偏振的所述第二信号被输出到一个或多个接收机。
在本公开的又一示例性实施例中，提供了一种光传输方法。所述光传输方法包括：将光信号分离成具有第一偏振的第一信号和具有第二偏振的第二信号；用波导偏振旋转器将所述第二信号的所述第二偏振旋转成第三偏振；以及将所述第二信号的所述第三偏振转换成所述第一偏振。
在其示例中，所述第一偏振为零阶横电(TE)模式偏振，并且所述第二偏振为零阶横磁(TM)模式偏振。
在其另一个示例中，所述第三偏振为一阶横电(TE)模式偏振。
在其进一步的示例中，具有第一偏振的所述第一信号和具有所述第一偏振的所述第二信号被输出到一个或多个接收机。
在本公开的又一示例性实施例中，提供了一种光学设备。所述光学设备包括：偏振模式转换器，所述偏振模式转换器配置为将第一光信号的第一偏振转换为第二偏振；波导偏振旋转器，所述波导偏振旋转器配置为将所述第一光信号的所述第二偏振旋转成第三偏振；和组合器，所述组合器配置为通过将具有所述第三偏振的所述第一光信号与具有所述第一偏振的第二光信号组合来形成经组合光信号。
在其示例中，所述经组合光信号被输入到一个或多个光传输光纤中。
在其另一个示例中，所述第一光信号和所述第二光信号由激光光源产生。
附图说明
为了便于更全面地理解本公开，现在参考附图，其中相同的元件用相同的附图标记表示。这些附图不应该被解释为限制本公开，而是旨在仅仅是说明性的。
图1示出了根据本公开的一个示例的示例性常规PSR。
图2示出了根据本公开的一个示例的另一示例性常规PSR。
图3示出了根据本公开的一些实施例的集成光学设备。
图4A-4E示出了与根据本公开的一些实施例的偏振分离器相关联的图。
图5A-5D示出了根据本公开的一些实施例的波导厚度变化与透射的关系。
图6A-6D示出了与根据本公开的一些实施例的偏振转换器相关联的图。
图7A-7D示出了根据本公开的一些实施例的偏振公差的模拟图。
图8A-8C示出了根据本公开的一些实施例的转换器性能图。
图9A-9B示出了根据本公开的一些实施例的转换器的制造公差的模拟。
图10A-10E示出了根据本公开的一些实施例的PSR性能。
图11示出了如何将所提出的PSR设计应用于偏振不敏感的接收机中。
图12示出了如何将所提出的PSR设计应用于偏振多路复用发送机中。
具体实施方式
在以下描述和附图中描述并强调了本公开和相关优点，附图不一定按比例绘制。省略了对结构和处理技术的详细描述，以免不必要地模糊本公开。此外，在以下描述中，阐述了关于所公开的主题的系统和方法以及这些系统和方法可以在其中操作的环境的许多具体细节，以便提供对所公开的主题的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，所公开的主题可以在没有这样的具体细节的情况下实施。此外，为了避免所公开的主题的复杂化，没有详细描述本领域中众所周知的某些特征。此外，应当理解，下面提供的示例是示例性的，并且其他系统和方法也在所公开的主题的范围内。
如上所述，图1和图2的常规PSR 100和200可能存在缺点。例如，两者都可以表现出小的(例如，1分贝(dB))带宽，其中带宽的波长范围具有例如小于1dB的光损耗变化，并且可以是例如30到40纳米(nm)。此外，PSR 100和200都可能具有相对较高的插入损耗(例如，1.5到2.5dB)和对制造误差的敏感性。此外，为了正常工作，PSR 100和200可能必须混合TE0/TM0模式光束，而不是独立地处理它们，这使得双偏振分多路复用(DPDM)变得困难。
因此，可能需要如下的PSR，该PSR克服常规器件的缺陷并且可以包括例如低插入损耗(例如，小于1dB)、平坦的和/或宽的波长响应、高制造公差和紧凑尺寸。这样的进步可以应用于例如光子收发机以及其他相关器件。
与常规系统相比，本公开的实施例实现了各种改进。首先，本公开的实施例可以使用基于MMI的偏振分离器，而不是基于定向耦合器的分离器，这可以实现更平坦的波长响应和改进的制造公差。第二，MMI分离器可以不是直线MMI或二次曲线MMI，而是粒子群优化MMI，它可以同时实现低损耗、紧凑尺寸、1dB大带宽和可接受的制造公差。第三，本公开的实施例可以采用非对称波导锥形来代替基于干涉仪的模式转换器，这可以提高制造公差并减少光损耗。本公开的实施例可以提供比常规PSR更好的改进性能。本公开的实施例可以与光接收机和收发机(诸如相干收发机)以及其他光通信器件相关。
图3示出了根据本公开的一些实施例的集成光学设备300。光学设备300为PSR，并且包括粒子群优化的弯曲多模干涉(MMI)偏振分离器310、双层波导偏振旋转器320和非对称波导锥形模式阶次转换器330。输入301处的入射光信号可以为TE0偏振光和TM0偏振光的未知混合。MMI偏振分离器310将TE0模式光与TM0模式光分离，并分别在直通端口311和交叉端口312处输出。基于双层波导的偏振旋转器320将TM0模式光旋转成TE1模式光，该TE1模式光在输入端321处被输入到非对称波导锥形模式转换器330中。非对称波导锥形模式转换器330进一步将TE1模式光转换成TE0模式光，该TE0模式光在端口331处输出。因此，可以输出两个TE0模式光束(一个TE0模式光束在端口311处输出，而另一个TE0模式光束在端口331处输出)，并且光束中的每一者都彼此独立。输出光可以由一个或多个接收机接收，诸如，接收光电探测器(PD)。在一些实施例中，一个或多个接收机可以包括多样化的接收机。
如下面进一步详细描述的，与常规分离器相比，基于MMI的偏振分离器310对波长不太敏感，并且对制造更宽容。基于MMI的偏振分离器310可以在其输出信号中表现出平坦的频谱带宽。在一个示例中，基于MMI的偏振分离器310在硅层上制造，并覆盖有二氧化硅包层。硅层可以为220nm厚。硅层下面是掩埋氧化物(BOX)层。BOX层可以是约2微米(μm)厚。为了实现大于70nm的1dB传输带宽，基于MMI的偏振分离器310的宽度可以做得尽可能小。然而，基于MMI的偏振分离器310的左边缘和右边缘的尺寸可以足够宽，以容纳两个420nm宽的波导，以及大于300nm的波导间隙。基于MMI的偏振分离器310可以包括220nm厚的硅的弯曲肋层。除了肋层之外，没有使用具有不同厚度的其他硅层。
图4A示出了图3所示的基于MMI的偏振分离器310的示例结构400。结构400包括输入波导410、MMI偏振分离器420和输出波导430。在图4A中，输入波导410中的一者处的入射光信号可以为TE0偏振光和TM0偏振光的未知混合。MMI偏振分离器420将TE0模式光与TM0模式光分离，并在输出波导430处分别输出它们，所述输出波导430对应于图3中的端口311和312。在一个示例中，MMI偏振分离器420可以包括220nm厚的硅的弯曲肋层。也如图4A所示，MMI偏振分离器420可以分离成多个部段，诸如34个部段，并在下面详细描述。
包括曲线的其他MMI设计一直是基于指数或二次曲线的。这些设计往往违反绝热标准，并带来显著的光损耗。虽然采用绝热标准有助于减少损失，但它可能导致体积过大。对于理想的偏振分离器来说，紧凑的尺寸、大的消光比、高的制造公差和宽的1dB带宽也是非常需要的。不幸的是，这些品质因数在弯曲的MMI设计中通常一直没有被考虑。因此，传统的指数或二次曲线MMI是不适合的。存在与偏振分离器相关联的折衷，诸如低插入损耗和平坦的波长响应的竞争性利益。另一个竞争性利益是高制造公差和紧凑尺寸。本公开的偏振分离器同时表现出紧凑的尺寸、相对高的制造公差、大的1dB带宽、高消光比和低插入损耗。根据本文描述的实施例，可以依靠数值优化来考虑这些折衷并达到最终的最优设计。例如，可以依赖粒子群优化(PSO)方法，将所有设计参数设置为变量。
在一个示例中，MMI偏振分离器420可以使用可以分成多个部段的弯曲的MMI耦合器。例如，弯曲的MMI耦合器可以分成34个部段，如图4A所示。每个部段的宽度以及输入和/或输出波导的位置可以使用PSO方法进行调整和优化。在一次迭代中，可以依靠PSO方法来评估所有的设计变量、检查不同的设计、计算设计的上述品质因数、比较结果、并选择最佳设计。然后参考上一次迭代的结果做下一次迭代，来进一步完善设计。经过数百次迭代，可以达到最佳的MMI偏振分离器设计。
MMI偏振分离器420的设计也可以在模拟中优化，诸如通过使用加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华市的Lumerical公司的3D FDTD软件工具进行模拟。图4B和图4D示出了基于FDTD模拟结果的模拟区域中的TE0和TM0光的光功率传播。在图4B和图4D中，X轴代表模拟区域中传播方向上的坐标，而Y轴代表模拟区域中垂直于传播方向的坐标。通过观察图4B和图4D，可以看出TE0和TM0模式光的功率是如何分离的。如图4B和图4D的FDTD图所示，TM0模式光被成功地与TE0模式光分离，分别进入输出波导430的上下分支中。偏振混合的输入信号从上输入波导410输入到MMI偏振分离器420中。TE0模式光在输出波导430的右下分支中输出，而TM0模式光在输出波导430的右上分支中输出。
图4C和4E分别示出了对应于图4B和图4D的图的计算出的TM0模式光和TE0模式光的光透射率。通过使用FDTD软件工具中的功率监视器，以0.1nm的步长测量1270-1340nm的光透射率。通过在上输入波导410处输入TE0和TM0光，并在输出波导430的下分支和上分支处读取TE0和TM0光的透射，可以定量地计算TE0和TM0模式光的光损耗和消光比。在图4C中，X轴代表以nm为单位的波长，而Y轴代表绝对透射率(例如，0.9表示90％)。例如，TE0和TM0在1310nm处的消光比都大于20dB，并且插入损耗仅为0.45dB(即90.17％)。1dB带宽远远大于70nm。在一些实施例中，MMI偏振分离器310的尺寸可以为17.12μm长或约17.12μm长并且可以为1.5μm宽或约为1.5μm宽。图4的图可以对应于这样的尺寸设计。
如图5A和图5B所示，已经在±10nm范围内的波导厚度和±30nm范围内的波导宽度上检查了MMI偏振分离器310的制造公差。根据示例性的制造误差范围来选择该范围。例如，图5A和图5B示出了当波导厚度从-10nm变化到+10nm时，TM0透射变化小于6％，而TE0透射变化小于5％，这表明透射可以是允许有公差的。图5C和图5D示出了当波导宽度从-30nm变化到+30nm时，与图5A和图5B相比，TM0和TE0透射可以改变。例如，当宽度变化在±10nm内时，TM0和TE0透射变化分别小于10％和15％。在一些实施例中，该公差是可接受的。
图6A示出了根据本公开的一些实施例的可以用于例如图3所示的双层波导偏振旋转器320的示例结构600。结构600可以具有不对称性，其中输入端口610比输出端口630窄。例如，区域620可以反射结构600的肋层。
图6B示出了根据本公开的一些实施例的示例性结构600的另一示意图。例如，端口610的宽度可以为420nm或约为420nm。例如，输出端口630的宽度可以为1000nm或约为1000nm。结构600可以是双蚀刻结构，该双蚀刻结构包括可以是硅的脊层660和也可以是硅的肋层620。在一个示例情况下，脊层660的厚度可以为220nm。例如，肋层620的厚度可以为90nm或约为90nm。例如，肋层620在第一区域中的宽度可以为420nm或约为420nm，并且可以例如随着该层向输出端口630前进而向外逐渐变成锥形。例如，脊层660在第一区域中的宽度可以为420nm或约为420nm，并且可以例如随着该层向输出端口630前进而向外逐渐变成锥形到530nm，然后到1000nm。在一些实施例中，硅脊层660和硅肋层620都可以由二氧化硅包层覆盖。在一些实施例中，在硅脊层660和硅肋层620之下，可以有BOX层，其可以为例如2μm厚。
TM0模式光可以在输入端口610处输入。由于垂直不对称，TM0模式光可以在脊层620中具有宽度的某些波导部段处具有超级模式。TM0模式光可以被转换成TE1模式光，并且然后在输出端口630处输出。结构600可以具有高转换效率、1dB带宽、高制造公差和/或紧凑尺寸中的一者或多者。
偏振旋转器320的3D FDTD模拟性能如图6C和图6D所示。如图6C所示，TM0光在图的左侧输入，并在图的右侧成功地转移到TE1模式光的两个分支中。图6D示出了偏振旋转器320的转换效率为98.78％，或-0.05dB。如图6D所示，旋转器的波长响应是平坦的，并且偏振旋转器的1dB带宽远大于70nm。在一些实施例中，偏振旋转器320的尺寸可以为24μm×1μm。图6的图可以对应于这样的尺寸的设计。
图7A-7D示出了示例性偏振旋转器320的示例性公差模拟图。图7A示出了当偏振旋转器320的脊波导厚度从-10nm变化到+10nm时，偏振旋转器320的转换效率可以变化小于4.5％。图7B示出了当偏振旋转器320的脊形波导宽度从-30nm变化到+30nm时，转换效率的变化可以小于3.5％。图7C示出了当偏振旋转器320的脊形波导厚度从-10nm变化到+10nm时，转换效率的变化可以小于6％。图7D示出了当偏振旋转器320的脊形波导宽度从-30nm变化到+30nm时，转换效率变化小于1％。因此，图7A-7D的数据示出了示例性偏振转换器320可以是允许有高公差的。
图8A-8C显示了与模式阶次转换器相关的图表。图8A示出了非对称模式转换器的示例结构800，其作为图3所示的非对称波导锥形模式阶次转换器330的示例。模式转换器的上边缘沿传播方向与下边缘不对称。将输入端口的中点作为起点并画一条水平线通过示例结构800，模式转换器的上半部分被设计成比下半部分宽。示例结构800的左端口可以连接到偏振旋转器以接收TE1模式。在非对称模式转换器中，输入到结构800中的TE1模式光的两个波瓣可能由于其形状而经历了不同的相位变化，并且可以被合并成TE0模式，该TE0模式由结构800输出。
没有解析方程来描述这种非对称模式转换器应该是什么具体形状。在结构800的设计中也存在折衷，诸如低光学损耗与平坦光谱的关系以及紧凑尺寸与高制造公差的关系。因此，PSO算法可以再次用于达到最终的最优设计。结构800的设计可以沿传播方向分成20个部段，并且每个部段的宽度用粒子群优化(PSO)来优化，以实现高转换效率、大1dB带宽、高制造公差和紧凑尺寸，如图8A所示。
如图8A所示，非对称波导锥形模式阶次转换器330的示例结构800可以在硅层上制造，并且可以覆盖有二氧化硅包层。在一个示例中，硅层的厚度可以为220nm或约为220nm。硅层下面可以是BOX层。在一个示例中，BOX层的厚度可以为2μm厚或约为2μm。不对称布局层为220nm厚的硅肋层。除了肋层之外，没有使用具有其他不同厚度的硅层。
图8B示出了非对称波导锥形模式阶次转换器330的示例结构800的示例性3D FDTD模拟性能。如图所示，在图8B的左侧，TE1模式光可以被输入并转换成TE0模式光，TE0模式光在图8B的右侧。图8C示出了示例性偏振转换器转换效率与波长的关系。如图所示，转换效率为99.34％，或-0.03dB。偏振转换器的1dB带宽远大于70nm。在一些实施例中，转换器330的尺寸可以为21m×3m。图8和图9的图可以对应于这样的尺寸的设计。
图9A和图9B示出了非对称波导锥形模式阶次转换器330的示例结构800的示例模拟制造公差。如图9A所示，当波导厚度在±10nm范围内变化时，转换效率变化小于1％。如图9B所示，当波导宽度在±30nm的范围内变化时，可能出现类似的结果。因此，这些模拟展示了结构800的合适的制造公差。
图10A-10E示出了与根据本公开的一些实施例的集成光学设备300的模拟相关的图。在1270nm至1340nm的波长范围内，模拟性能。图10A示出了图3所示的集成光学设备300的整个结构1000。在一些实施例中，结构1000的尺寸可以为89μm或约89μm×8μm或约8μm，使得它具有712μm2的面积。图10A示出了输入波导410处的入射光信号，该入射光信号可能是TE0和TM0偏振光的未知混合。MMI偏振分离器420反映了图3所示的分离器310的结构。结构600反映了图3所示的偏振旋转器320的结构。结构800反映了图3所示的转换器330的结构。
如图10B所示，当TM0模式光如图所示在该图的左侧被输入时，它可以被转换成TE0模式光并通过输出端口被输出，如该图的右上角所示。例如，如图10C所示，在1270nm至1340nm的范围内，转换效率可以为大约80％至90％(即，0.5至0.9dB)。1dB带宽大于70nm。例如，消光比在1310nm处超过25dB，并且在光谱边缘处可能降低到9到10dB之间。图10D示出了当TE0模式光如图所示在该图的左侧输入时，它可以保持为TE0模式光，并在输出端口处输出，如该图的右下方所示。例如，如图10E所示，在1270nm至1340nm的范围内，透射率可以为大约71-90％(即，0.5至1.4dB)。1dB带宽大于70nm。1310nm处的消光比超过25dB，并且在光谱边缘可降至10dB。
应该注意到，到目前为止的讨论集中在图3中的PSR接收数据和处理光信号的适用性，使得它可以被接收机接收。这种PSR的主要应用将是构建偏振不敏感接收机或偏振多路复用发送机。
图11是示例性偏振不敏感WDM接收机(RX)1100的示意图。WDM RX 1100包括偏振分离器1110，该偏振分离器1110可以实现为图3所示的光学设备300。如图所示，偏振分离器1110用于分离具有两个混合正交偏振态(TE0和TM0)的入射信号1101，将TE0发送到TE多路分解器1120，将TM0旋转到另一个TE0模式1113，并将其发送到另一个TE多路分解器1130。然后，每个信号被1×4WDM多路分解器多路分解成单独的组成波长信号，其波长由λ1、λ2、λ3和λ4给出，其中λ1<λ2<λ3<λ4。不同波长的信号到达各自的双向PD。用于TE0的路由波导1121、1122、1123和1124以及用于TE′0的路由波导1131、1132、1133和1134(从TM0转换而来)被仔细布置，使得来自两侧的信号在相同的定时到达PD。来自两侧的功率不一定相等。它们之间的比率可以为任何值。双向PD收集每个波长的两种偏振信号，使整个RX系统对偏振不敏感。在其他实施例中，可以使用4个以外的离散波长数。在不同的实施例中，使用N个波长，其中N大于1，针对1≤i≤N的波长λi都彼此不同。
光学设备300也可以用在偏振多路复用发送机中。这个概念反向操作PSR，执行获取两个入射TE偏振信号(TE和TE′，它们是彼此独立的信道)并将两个信号流输出到具有两个正交偏振状态(TE和TM)的单个路径中的功能。以这种方式，激光二极管(通常是TE偏振的)、TE波导、TE调制器和TE多路复用器(每一者都被构建为仅在TE偏振下工作)可以与PSR一起使用，以将调制的多信道信号流多路复用到单个输出路径上。用于TE指定的输出路径的相同设计可以在TE′指定的路径上用在PSR的上游(然后转换成TM)。当以这种方式使用时，PSR可以被称为偏振旋转器+组合器(PRC)。为了同时支持多个波长，PRC可以为宽带的，在宽波长范围内提供良好的偏振消光比性能和低损耗，如图11所示。
图12示出了偏振多路复用发送机系统1200。例如，光可以由激光器1210产生。来自光源1210的输出光可以被3dB功率分离器分离。一半由调制器1220调制，并且另一半由调制器1230调制。因为调制器1220和1230由不同的RF信号驱动，所以从1220和1230产生的信号是彼此独立的信道。在实施例中，调制器1220的每个调制器A-D由相同的RF信号驱动。在实施例中，调制器1220的每个调制器A-D由单独的RF信号驱动。在实施例中，调制器1230的每个调制器A’-D’由相同的RF信号驱动。在实施例中，调制器1220的每个调制器A’-D’由单独的RF信号驱动。调制器1220调制的光信号然后将被MUX 1240多路复用。调制器1230产生的其他光信号将被MUX 1250多路复用，然后被1260中的偏振旋转器转换成TM偏振。然后，通过1260中的偏振组合器将来自1240的波长为λA、λB、λC、λD的多路复用TE信号与波长为λA、λB、λC、λD的TM信号组合。最后，八个独立信道(TE_A/TE_B/TE_C/TE_D/TM_A/TM_B/TM_C/TM_D)的信号将被输出到光纤系统500中。如上所述，这里介绍的PSR是为宽带而设计的。因此，可以容易地添加更多的波长信道，而不仅限于4个波长。
本公开的范围不受本文描述的具体实施例的限制。实际上，除了本文描述的那些实施例之外，根据前面的描述和附图，本公开的其他各种实施例和修改对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。因此，这样的其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本文已经在用于至少一个特定目的的至少一个特定环境中的至少一个特定实现的上下文中描述了本公开，但是本领域普通技术人员将认识到本公开的有用性不限于此，并且本公开可以有益地在用于任何数量目的的任何数量的环境中实现。

Claims (31)

1.一种传输多个光调制信号以输出到光纤系统的方法，所述方法包括以下步骤：
提供配置为发射具有第一偏振的第一波长的光的第一激光源和配置为发射具有所述第一偏振的第二波长的光的第二激光源，所述第二波长不同于所述第一波长；
用第一调制器接收由所述第一激光源发射的所述光的第一部分，并用第二调制器接收由所述第一激光源发射的所述光的第二部分；
用第三调制器接收由所述第二激光源发射的所述光的第一部分，并用第四调制器接收由所述第二激光源发射的所述光的第二部分；
从所述第一调制器输出第一调制光信号，所述第一调制光信号具有所述第一偏振；
从所述第二调制器输出第二调制光信号，所述第二调制光信号具有所述第一偏振；
从所述第三调制器输出第三调制光信号，所述第三调制光信号具有所述第一偏振；
从所述第四调制器输出第四调制光信号，所述第四调制光信号具有所述第一偏振；
多路复用所述第一调制光信号和所述第三调制光信号，以提供具有所述第一偏振的第一多路复用光信号；
多路复用所述第二调制光信号和所述第四调制光信号，以提供具有所述第一偏振的第二多路复用光信号；
改变所述第二多路复用光信号以具有第二偏振，所述第二偏振不同于所述第一偏振；以及
将具有所述第一偏振的所述第一多路复用光信号和具有所述第二偏振的所述第二多路复用光信号组合成第三光信号。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括向光纤系统提供所述第三光信号的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一激光源和所述第二激光源每一者都为激光二极管。
4.根据权利要求1所述的方法，其中改变所述第二多路复用光信号以具有所述第二偏振的步骤包括使具有所述第一偏振的所述第二多路复用光信号通过波导偏振旋转器的步骤。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一偏振为TE模式偏振。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其中所述第一偏振为TE模式偏振，并且所述第二偏振为TM模式偏振。
7.一种检测多个波长的多个光信号的方法，所述方法包括以下步骤：
接收包括多个偏振混合光信号的光信号，所述偏振混合光信号中的每一者处于各自的波长；
将所述多个偏振混合光信号分离成具有第一偏振的第一部分光信号和具有第二偏振的第二部分光信号；
将所述第一部分光信号多路分解为具有所述第一偏振的第一波长的第一波长光信号和具有所述第一偏振的第二波长的第二波长光信号；
将所述第一波长光信号路由到第一光电探测器，并将所述第二波长光信号路由到第二光电探测器；
将具有所述第二偏振的所述第二部分光信号转换成具有所述第一偏振的第三部分光信号；
将所述第三部分光信号多路分解为具有所述第一偏振的所述第一波长的第三波长光信号和具有所述第一偏振的所述第二波长的第四波长光信号；以及
将所述第三波长光信号路由到所述第一光电探测器，并将所述第四波长光信号路由到所述第二光电探测器。
8.根据权利要求7所述的方法，其中将具有所述第二偏振的所述第二部分光信号转换成具有所述第一偏振的第三部分光信号的步骤包括以下步骤：
使所述第二部分光信号通过波导偏振旋转器，以产生具有第三偏振的第四部分光信号；以及
将所述第四部分光信号的偏振改变为所述第一偏振，以产生具有所述第一偏振的所述第三光信号。
9.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中所述第一偏振为TE模式偏振。
10.根据权利要求7和8中任一项所述的方法，其中所述第一偏振为TE模式偏振，并且所述第二偏振为TM模式偏振。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述第一偏振是TE0模式偏振，所述第二偏振为TM模式偏振，并且所述第三偏振是TE1模式偏振。
12.一种光学设备，所述光学设备包括：
分离器，所述分离器配置为将光信号分离成具有第一偏振的第一信号和具有第二偏振的第二信号；
波导偏振旋转器，所述波导偏振旋转器配置为将所述第二信号的所述第二偏振旋转成第三偏振；和
偏振模式转换器，所述偏振模式转换器配置为将所述第二信号的所述第三偏振转换为所述第一偏振。
13.根据权利要求12所述的光学设备，其中所述分离器是多模干涉(MMI)偏振分离器。
14.根据权利要求13所述的光学设备，其中所述分离器是弯曲的。
15.根据权利要求12所述的光学设备，其中所述偏振旋转器包括输入端口和输出端口，其中所述输出端口比所述输入端口宽。
16.根据权利要求15所述的光学设备，其中所述输入端口的宽度为420nm或约为420nm，并且所述输出端口的宽度为1000nm或约为1000nm。
17.根据权利要求12所述的光学设备，其中所述偏振旋转器包括肋层和脊层。
18.根据权利要求17所述的光学设备，其中所述肋层的厚度为90nm或约为90nm。
19.根据权利要求17所述的光学设备，其中所述脊层的厚度为220nm或约为220nm。
20.根据权利要求17所述的光学设备，其中所述肋层的宽度为1000nm或约为1000nm。
21.根据权利要求12所述的光学设备，其中所述偏振模式转换器是非对称波导锥形模式转换器。
22.根据权利要求12所述的光学设备，其中所述第一偏振为零阶横电(TE)模式偏振，并且所述第二偏振为零阶横磁(TM)模式偏振。
23.根据权利要求12所述的光学设备，其中所述第三偏振为一阶横电(TE)模式偏振。
24.根据权利要求12所述的光学设备，其中具有第一偏振的所述第一信号和具有所述第一偏振的所述第二信号被输出到一个或多个接收机。
25.一种光传输方法，所述光传输方法包括：
将光信号分离成具有第一偏振的第一信号和具有第二偏振的第二信号；
用波导偏振旋转器将所述第二信号的所述第二偏振旋转成第三偏振；以及
将所述第二信号的所述第三偏振转换成所述第一偏振。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述第一偏振为零阶横电(TE)模式偏振，并且所述第二偏振为零阶横磁(TM)模式偏振。
27.根据权利要求25所述的方法，其中所述第三偏振为一阶横电(TE)模式偏振。
28.根据权利要求25所述的方法，其中具有第一偏振的所述第一信号和具有所述第一偏振的所述第二信号被输出到一个或多个接收机。
29.一种光学设备，所述光学设备包括：
偏振模式转换器，所述偏振模式转换器配置为将第一光信号的第一偏振转换为第二偏振；
波导偏振旋转器，所述波导偏振旋转器配置为将所述第一光信号的所述第二偏振旋转成第三偏振；和
组合器，所述组合器配置为通过将具有所述第三偏振的所述第一光信号与具有所述第一偏振的第二光信号组合来形成经组合光信号。
30.根据权利要求29所述的光学设备，其中所述经组合光信号被输入到一个或多个光传输光纤中。
31.根据权利要求29所述的光学设备，其中所述第一光信号和所述第二光信号由激光光源产生。
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