CN114924357B - 一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线 - Google Patents

一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及集成光电子器件领域，公开了一种基于级联马赫‑曾德干涉仪结构的波分复用光延时线，可同时实现含M个波长的光信号的波长选择性延时，即不同波长的光信号的延时量独立可控，其中M＝2k，k为不小于1的整数。该波分复用光延时线包括N个波长选择性2×2光开关单元，以及两类光延时单元各N－1个，N为不小于2的整数。其中：每个波长选择性2×2光开关单元均包括两个左侧端口及两个右侧端口，所述四个端口之间包括5M－4个马赫‑曾德干涉仪；第一类光延时单元长度相同，第二类光延时单元长度各不相同；所述N个波长选择性2×2光开关单元、2N－2个光延时单元串联连接。通过本发明，能够在有限的芯片面积内，实现多波长信号的独立延时。

Description

一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线
技术领域
本发明涉及集成光电子器件领域，尤其涉及一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线。
背景技术
光延时线是微波光子系统的关键单元，是利用光波完成微波频段电磁波调控的关键部件。光延时线的实现途径主要有以下两类：色散型和路由型。色散型延时线通常采用波导光栅、高阶或级联微环谐振器、光子晶体等结构，通过改变器件的色散特性来调节光经过时的延时量。这种方案往往插入损耗大、工作波长范围窄、光延时量难以大范围调节。
路由型延时线利用串行连接的多个2×2光开关连接不同长度的光延时单元，通过选择光传输路径来实现可控延时。这一方案不涉及复杂的多波束干涉，因此插损适中、工作波长范围宽、可调延时范围大、可扩展性好。路由型延时线的主要缺陷在于器件面积较大。在需要多路光延时的系统中，如果简单地增加延时线数量，这一缺陷将愈发明显，不利于微波光子系统的集成化与小型化。
发明内容
为避免背景技术中的问题，本发明提出了一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线，它在不显著增加传统光延时线面积的情况下，在一路光延时线中实现对多路不同波长光信号的独立延时。
为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：
一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线，包括N个波长选择性2×2光开关单元和2N－2个光延时单元，N为不小于2的整数；每个波长选择性2×2光开关单元均包括两个左侧端口及两个右侧端口，所述四个端口之间包括5M－4个马赫-曾德干涉仪，M＝2k，k为不小于1的整数；所述N个波长选择性2×2光开关单元通过2N－2个光延时单元串联连接；
每个波长选择性2×2光开关单元的任何一个左侧端口入射M个波长的混合光信号，每个波长的光信号独立选择一个右侧端口出射，不同的出射端口连接不同的光延时单元，使得每个波长的光信号经历不同的延时量。
进一步的，所述光延时单元包括两类，数量均为N－1个；第一类光延时单元具有同样的长度D0；第二类光延时单元的长度各不相同，若将第二类延时单元由短到长排列，则第i个第二类光延时单元的长度为D0+2(i―1)×ΔD，ΔD为大于0的任意自然数，1≤i≤N－1；两类光延时单元均包括左右各2个端口。
进一步的，对于任意相邻的两个波长选择性2×2光开关单元，位于左侧的波长选择性2×2光开关单元的两个右侧端口与位于右侧的波长选择性2×2光开关单元的与两个左侧端口之间通过两个不同类的光延时单元互相连接。
进一步的，波长选择性2×2光开关单元包括三部分；第一部分为两个波分解复用器，每个波分解复用器包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，两个波分解复用器的两个输入端为波长选择性2×2光开关单元的2个左侧端口；第二部分为M个波长不敏感2×2光开关单元，每个波长不敏感2×2光开关单元包含一个马赫-曾德干涉仪；第三部分为两个波分复用器，每个波分复用器包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，两个波分复用器的两个输出端为波长选择性2×2光开关单元的2个右侧端口；
其中，所述波长选择性2×2光开关单元的两个左侧端口与两个右侧端口可对调；左右两个端口对调后，其内部两个波分解复用器与两个波分复用器也相应对调。
进一步的，两个波分解复用器的结构相同，每个包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，M＝2k，k为不小于1的整数；所述M－1个级联的马赫-曾德干涉仪分为k个依次串接的部分，从第1个输入端往第M个输出端的路径上，第j部分所包含的马赫-曾德干涉仪个数为2(j -1)，1≤j≤k。
进一步的，两个波分复用器的结构相同，每个包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，M＝2k，k为不小于1的整数；所述M－1个级联的马赫-曾德干涉仪分为k个依次串接的部分，从第M个输入端往第1个输出端的路径上，第j部分的马赫-曾德干涉仪个数为2(k-j)，1≤j≤k。
进一步的，两个波分解复用器与两个波分复用器之间的M个波长不敏感2×2光开关单元的结构相同，波长不敏感2×2光开关单元的输入侧共2M个输入端连接两个波分解复用器的2M个输出端，输出侧共2M个输出端连接两个波分复用器的2M个输入端；一个波长不敏感2×2光开关单元的两个输入端分别连接两个波分解复用器的相同波长输出端，一个波长不敏感2×2光开关单元的输出端连接两个波分复用器的相同波长输入端。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
通过本发明，能够在有限的芯片面积内，实现多波长信号的独立延时。对于应用本发明的光控波束形成系统，本发明带来的有益结果包括：更小的系统体积与功耗，更低的控制复杂度。
附图说明
图1为本发明提出的波分复用光延时线的一种连接方式；
图2为本发明基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波长选择性2×2光开关单元的结构，处理的是M波长信号；
图3为基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分解复用器的一般结构；
图4为基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波长不敏感2×2光开关单元结构；
图5为基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用器的一般结构。
具体实施方式
下面结合附图1-5，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，本发明提出的波分复用光延时线包括两类组成单元：(1)编号为101至10N的相同的N个(N≥2)波长选择性2×2光开关单元。它们均有两个左侧端口及两个右侧端口。二者均可以作为输入端口与输出端口。若两个左侧端口为输入端口，则两个右侧端口为输出端口。若两个右侧端口为输入端口，则两个左侧端口为输出端口。每个波长选择性2×2光开关单元包括(5M－4)个马赫-曾德干涉仪(M＝2k，k为不小于1的整数)。M是波分复用光延时线能处理的波长数目，它是2的整数幂次。N决定延时量可调的阶数，N个(N≥2)波长选择性2×2光开关单元构建的波分复用光延时线的延时量可调阶数为2N－1。(2)两类光延时单元，数量均为(N－1)。图1中编号为201至20(N－1)的为第一类光延时单元，它们具有同样的长度D0，故光波经过它们时经历的延时量是相同的。编号为301至30(N－1)的为第二类光延时单元，它们的长度各不相同，故光波经过它们时经历的延时量是不同的。若把第二类延时单元由短到长排列，那么第i个(1≤i≤N－1)第二类光延时单元的长度为D0+2(i－1)×ΔD。其中D0为大于0的任意自然数，长度为D0的波导的作用为连接其他单元，包括连接波长选择性2×2光开关单元及长度为D的波导。D为大于0的任意自然数，长度为D的波导决定了该延时线的最小可调步进。若光波在长度为ΔD的波导中传输需要时间Δt，那么该延时线的最小可调延时步进量为Δt。上述两类光延时单元均包括左右2个端口。一般情况下ΔD和D0的单位可以是微米。
利用所述两类共(2N－2)个光延时单元，将上述N个波长选择性2×2光开关单元依次连接，形成波分复用光延时线。图1所示是一种可行的连接方式：第一类光延时单元在上支路，第二类光延时单元在下支路。只要满足如下连接原则，波分复用光延时线功能不变。这一原则是：任一波长选择性2×2光开关单元的同侧2个端口不连接同一类光延时单元。
也就是说，对于位于最外侧的两个2×2光开关单元之间的任一波长选择性2×2光开关单元，其左侧两个端口连接的是不同的两类光延时单元，右侧两个端口连接的也是不同两类光延时单元。其中，第一类光延时单元的长度为D0，第二类光延时单元的长度为D0+2(i－1)×ΔD(1≤i≤N－1)，且一种长度的第二类光延时单元在整个波长选择性延时线中必须被用一次，且只能被使用一次。这样即可实现前述波长选择性光延时功能。
图1中最左侧的波长选择性2×2光开关单元的两个端口，以及最右侧的波长选择性2×2光开关单元的两个端口，没有连接光延时单元。这四个端口中任一个均可以作为多波长信号输入的主输入端口。在某一最外侧的2×2光开关单元的两个未连接光延时单元的端口中的一个端口被确定为主输入端口后，另一最外侧的2×2光开关单元的两个未连光延时单元的端口即被确定为两个输出端口，最后一个端口(即主输入端口所在2×2光开关单元上，与主输入端口同侧的另一个端口)即被确定为从输入端口。
举例来说，若编号为401的端口被选为主输入端口，那么编号为402及404的两个端口即为输出端口，编号为403的端口为从输入端口。
若编号为403的端口被选为主输入端口，那么编号为402及404的两个端口即为输出端口，编号为401的端口为从输入端口。
若编号为402的端口被选为主输入端口，那么编号为401及403的两个端口即为输出端口，编号为404的端口为从输入端口。
若编号为404的端口被选为主输入端口，那么编号为401及403的两个端口即为输出端口，编号为402的端口为从输入端口。
从主输入端口输入的多波长信号，其中每个波长均可独立选择传输路径，并从两个输出端口中的任一个输出。因此，通过配置波分复用光延时线中各级波长选择性2×2光开关单元中M个波长不敏感2×2光开关单元的开关状态(使输入光信号“直通”或者“交叉”，其含义在图4的说明中予以详细解释)，每个输入波长均可以经历从(N－1)×D0到(N－1)×D0+[2(N－1)－1]×ΔD之间2(N－1)种不同波导长度所带来的延时，最小延时步进为波导长度ΔD对应的延时。
延时线中共有N级波长选择性2×2光开关单元，每级波长选择性2×2光开关单元有M个波长不敏感2×2光开关单元。每个波长不敏感2×2光开关单元处理一个特定波长的光信号。每一级波长选择性2×2光开关单元处理M个波长。各级波长选择性2×2光开关单元处理的M个波长是相同的。举例来说，若第一级波长选择性2×2光开关单元处理1550nm、1551nm、1552nm、1553nm四个波长，那么其他各级波长选择性2×2光开关单元都处理1550nm、1551nm、1552nm、1553nm这四个波长。
延时线中N×M个波长不敏感2×2光开关单元处理的波长数目为M，每一个处理一个特定波长的光信号。具体处理哪个波长的光信号，取决于它们与波分复用器、波分解复用器的连接关系。在所对应的特定波长光信号处，每个波长不敏感2×2光开关单元的状态均可独立地被设置为“直通”或者“交叉”两种情形。全部的N×M个波长不敏感2×2光开关单元状态的一种特定组合称为延时线的一种配置状态。在同一个配置状态下，主输入端口与从输入端口的同一波长信号的延时量是关联的。若由主输入端口进入的光信号的延时为长度为(N－1)×D0+A×ΔD的波导所带来的延时，那么由从输入端口进入的同一波长的光信号的延时为长度为(N－1)×D0+B×ΔD的波导所带来的延时，A+B＝2(N－1)－1。它即们之和对应长度为(2N－2)×D0+[2(N－1)－1]×ΔD的波导所带来的延时。且它们分别到达两个输出端口中的一个。
举例来说，N取为5，M取为4，即5个波长选择性2×2光开关单元，每个含有4个波长不敏感2×2光开关单元。第一类与第二类光延时单元均为4个。若从编号为401的端口输入的波长为λ3的光经历了波导长度为4×D0+10×ΔD对应的延时(它经过了两个长度为D0的第一类光延时单元，以及长度分别为D0+2×ΔD、D0+8×ΔD的两个第二类光延时单元)，最终从编号为402的端口输出。那么在同一配置状态下，从编号为403的端口输入的波长为λ5的光将经历波导长度为4×D0+5×ΔD对应的延时(它经过了两个长度为D0的第一类光延时单元，以及长度分别为D0+1×ΔD、D0+4×ΔD的两个第二类光延时单元)，最终从编号为404的端口输出。上述两个延时量之和为长度为(2N－2)×D0+[2(N－1)－1]×ΔD＝8×D0+15×ΔD对应的延时量。上述同波长信号从两个输入端口同时输入时的互补延时，可被用于波束形成系统中，形成额外的波束分布，从而进一步减小光控波束形成系统的体积与功耗。
图2所示为本发明所采用的波长选择性2×2光开关单元的结构。它包括以下三个部分：(1)两个波分解复用器111与112。二者结构与功能完全一致，均具有一个输入端口(分别为411与413)及M个输出端口。含有M个波长的光信号从输入端口411或413进入波分解复用器111或112后，会在其M个输出端口分离为M个不同波长的光信号。(2)M个波长不敏感2×2光开关单元211至21M，它们具有完全相同的结构与功能。每个波长不敏感2×2光开关单元均具有左侧两个输入端口与右侧两个输出端口。波分解复用器111与112的第i个输出端(1≤i≤M)输出第i个波长的光信号，它们连接21i的两个输入端。(3)两个波分复用器311与312。二者结构与功能完全一致，均具有M个输入端口与一个输出端口(分别为412与414)。含有M个波长的光信号从其M个输入端口进入波分复用器311或312后，会在其一个输出端口(分别为412与414)合成为含M个不同波长的光信号。
所述两个波分解复用器111与112的两个输入端411与413为波长选择性2×2光开关单元的2个左侧端口。所述两个波分复用器311与312的两个输出端412与414为波长选择性2×2光开关单元的2个右侧端口。由于上述对称性，图2所示的波长选择性2×2光开关单元的2个左侧端口与2个右侧端口可以对调，功能不受影响。左右2个端口对调后，其内部两个波分解复用器与两个波分复用器也相应对调，即波分解复用器功能转换为波分复用器，波分复用器功能转换为波分解复用器。
图3为基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分解复用器的一般结构。待分离的多波长信号含有M个波长，M＝2k，k为不小于1的整数。图3中有k级马赫-曾德干涉仪，第一级包含一个马赫-曾德干涉仪121，第二级包含两个马赫-曾德干涉仪221、222，第i级(1≤i≤k)包含2(i-1)个马赫-曾德干涉仪。每个马赫-曾德干涉仪均包含三部分：1×2的光耦合结构；不等长度的两个相移臂；2×2的光耦合结构。所述光耦合结构可以由定向耦合器，或者多模干涉耦合器实现。第j级(1≤j≤k-1)的2(j-1)个马赫-曾德干涉仪的2j个输出，作为第(j+1)级的2j个马赫-曾德干涉仪的输入。每一个马赫-曾德干涉仪的功能，均是将输入的多波长光信号进行间隔分离，即编号为奇数的波长输出到一个输出端，编号为偶数的波长输出到另一个输出端。通过非等长相移臂的长度差设计，利用图3所示的结构，可以将M个波长分离，在端口021、022至02M输出。
图4为基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波长不敏感2×2光开关单元结构。它包含两个2×2的光耦合结构131与132，可以由定向耦合器，或者多模干涉耦合器实现。131与132之间连接有长度相同的相移臂231与232。通过改变231或232的波导折射率，可以使该波长不敏感2×2光开关处于“直通”或“交叉”模式。
直通模式指的是，从端口331、333输入的光信号，分别被传导至端口332、334输出。
交叉模式指的是，从端口331、333输入的光信号，分别被传导至端口334、332输出。
具体地，当光波经过相移臂231与232后附加相位一致时，该波长不敏感2×2光开关处于交叉模式，即从端口331、333输入的光信号，分别被传导至端口334、332输出。当通过局部加热、注入载流子等方式，改变231或232的波导折射率，使得光波经过相移臂231与232后附加相位相差π时，该波长不敏感2×2光开关处于直通模式，即从端口331、333输入的光信号，分别被传导至端口332、334输出。
图5为基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用器的一般结构。待合成的为M个不同波长的信号，M＝2k，k为不小于1的整数。图5中有k级马赫-曾德干涉仪，第一级包含2(k -1)＝M/2个马赫-曾德干涉仪141至14(2k-1)，第i级(1≤i≤k)包含2(k-i)个马赫-曾德干涉仪。每个马赫-曾德干涉仪均包含三部分：2×2的光耦合结构；不等长度的两个相移臂；2×1的光耦合结构。所述光耦合结构可以由定向耦合器，或者多模干涉耦合器实现。
第j级(1≤j≤k-1)的2(k-j)个马赫-曾德干涉仪的2(k-j)个输出，作为第(j+1)级的2(k-j-1)个马赫-曾德干涉仪的2(k-j)个输入。每一个马赫-曾德干涉仪的功能，均是将输入的多波长光信号进行合并输出。通过非等长相移臂的长度差设计，利用图5所示的结构，可以将M个波长合并，在端口040输出。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
本发明设计的核心在于2×2光开关单元的波长选择性，以及光延时单元的波长无关性。本发明的光延时单元可类比于光纤通信系统中的光纤，它对不同波长是透明的，无差别地进行传输。而2×2光开关单元则可类比于光纤通信系统中的路由器，它需要根据波长的不同决定其传输路径。通过本发明，能够在有限的芯片面积内，实现多波长信号的独立延时。对于应用本方案的光控波束形成系统，本方案带来的有益结果包括：更小的系统体积与功耗，更低的控制复杂度。

Claims (4)

1.一种基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线，包括N个波长选择性2×2光开关单元和2N－2个光延时单元，N为不小于2的整数；其特征在于：每个波长选择性2×2光开关单元均包括两个左侧端口及两个右侧端口，所述四个端口之间包括5M－4个马赫-曾德干涉仪，M＝2k，k为不小于1的整数；所述N个波长选择性2×2光开关单元通过2N－2个光延时单元串联连接；
每个波长选择性2×2光开关单元的任何一个左侧端口入射M个波长的混合光信号，每个波长的光信号独立选择一个右侧端口出射，不同的出射端口连接不同的光延时单元，使得每个波长的光信号经历不同的延时量；
其中，波长选择性2×2光开关单元包括三部分；第一部分为两个波分解复用器，每个波分解复用器包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，两个波分解复用器的两个输入端为波长选择性2×2光开关单元的2个左侧端口；第二部分为M个波长不敏感2×2光开关单元，每个波长不敏感2×2光开关单元包含一个马赫-曾德干涉仪；第三部分为两个波分复用器，每个波分复用器包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，两个波分复用器的两个输出端为波长选择性2×2光开关单元的2个右侧端口；所述波长选择性2×2光开关单元的两个左侧端口与两个右侧端口可对调；左右两个端口对调后，其内部两个波分解复用器与两个波分复用器也相应对调；
其中，两个波分解复用器的结构相同，每个包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，M＝2k，k为不小于1的整数；所述M－1个级联的马赫-曾德干涉仪分为k个依次串接的部分，从第1个输入端往第M个输出端的路径上，第j部分所包含的马赫-曾德干涉仪个数为2(j-1)，1≤j≤k；
其中，两个波分复用器的结构相同，每个包含M－1个级联的马赫-曾德干涉仪，M＝2k，k为不小于1的整数；所述M－1个级联的马赫-曾德干涉仪分为k个依次串接的部分，从第M个输入端往第1个输出端的路径上，第j部分的马赫-曾德干涉仪个数为2(k-j)，1≤j≤k。
2.根据权利要求1所述的基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线，其特征在于：所述光延时单元包括两类，数量均为N－1个；第一类光延时单元具有同样的长度D0；第二类光延时单元的长度各不相同，若将第二类延时单元由短到长排列，则第i个第二类光延时单元的长度为D0+2(i―1)×ΔD，ΔD为大于0的任意自然数，1≤i≤N－1；两类光延时单元均包括左右各2个端口。
3.根据权利要求2所述的基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线，其特征在于：对于任意相邻的两个波长选择性2×2光开关单元，位于左侧的波长选择性2×2光开关单元的两个右侧端口与位于右侧的波长选择性2×2光开关单元的与两个左侧端口之间通过两个不同类的光延时单元互相连接。
4.根据权利要求1所述的基于级联马赫-曾德干涉仪结构的波分复用光延时线，其特征在于：两个波分解复用器与两个波分复用器之间的M个波长不敏感2×2光开关单元的结构相同，波长不敏感2×2光开关单元的输入侧共2M个输入端连接两个波分解复用器的2M个输出端，输出侧共2M个输出端连接两个波分复用器的2M个输入端；一个波长不敏感2×2光开关单元的两个输入端分别连接两个波分解复用器的相同波长输出端，一个波长不敏感2×2光开关单元的输出端连接两个波分复用器的相同波长输入端。
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