CN114967276B - 一种低噪声片上参量光放大器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低噪声片上参量光放大器件。本发明基于相位敏感参量放大的共轭闲频光‑相位敏感放大原理，利用薄膜铌酸锂平台的高集成度以及薄膜周期极化铌酸锂波导的准相位匹配技术和高非线性，实现了片上的相位敏感参量光放大，具有低噪声、宽谱放大范围、小型化等优点。相比于传统的基于高非线性光纤的相位敏感光放大解决方案，本发明的片上放大方案不要求在光纤信道中对信号光以及闲频光的同时传输，对于光纤信道的频谱资源没有任何浪费，放大过程仅在片上进行，不需要对现有的光纤通信系统做任何改进即可将现有的掺铒光纤放大器替换为本发明作为光纤通信链路中的全光放大中继，大大降低了参量光放大器的实际应用复杂度。
Description
技术领域
本发明属于光通信传输领域，涉及一种片上光放大器件，更具体的涉及一种基于共轭闲频光-相位敏感放大(copier-PSA)原理的片上相位敏感参量光放大器件。
背景技术
光放大器是现代光纤通信链路中不可或缺的一部分，传统的光放大器如半导体光放大器、掺杂光纤放大器、拉曼放大器等在放大信号光时会同时放大信号光的同向(inphase)和正交(quadrature phase)分量，被称为相位不敏感的光放大器(PIA)，会受到3dB量子噪声极限的影响，使光信号的信噪比相比放大前的信噪比至少下降3dB，成为限制光通信系统接近非线性香农极限的主要制约因素。
此外，随着集成光子技术的发展，使得将复杂的光通信或光信号处理系统集成在单一的芯片上成为可能，一些新兴的应用场景例如激光雷达、量子通信和量子计算等也对低噪声、宽谱放大范围的片上光放大技术提出了新的要求。
相比于相位不敏感光放大器，相位敏感光放大器(PSA)为实现低噪声放大打开了一扇大门。相位敏感放大可以在二阶非线性材料中的三波混频参量放大或者三阶非线性材料中的四波混频参量放大过程中实现，理论上具有0dB的噪声系数，可以实现理想的无噪光放大。在光纤通信系统的研究中，研究者往往利用高非线性光纤(HNLF)作为参量放大增益介质实现相位敏感的光放大。然而，传统的基于HNLF的相位敏感光放大器件存在系统复杂、稳定性差、控制困难等一系列问题，且其应用场景要求信号光与共轭闲频光在一根光纤内的同时传输，造成光纤频谱资源的浪费，限制着相位敏感光放大器件的实际应用。近年来，一些基于集成光学的片上非线性效应的研究引起了人们的广泛关注，例如低损耗的氮化硅(SiN)波导由于其出色的三阶非线性效应和极低的损耗成为人们研究片上相位敏感光放大的理想集成光学平台。与此同时，一些基于二阶非线性的集成光学平台，例如薄膜铌酸锂(LNOI)平台和周期反转极化薄膜铌酸锂(periodically poled lithium niobate,PPLN)平台也使得在二阶非线性平台上研究片上PSA成为可能。本发明针对传统的相位敏感放大器存在的不足，将在传统上需要在高非线性光纤中发生的相位敏感放大过程迁移到集成的非线性集成光波导中实现，并结合现有的成熟的集成无源光器件设计和工艺，实现PSA的全片上实现，可以克服传统的 PSA光放大器控制困难、系统复杂度高等缺点。
发明内容
本发明提供一种低噪声片上参量光放大器件，基于相位敏感参量放大的共轭闲频光-相位敏感放大(copier-PSA)原理，具有低噪声放大系数、宽谱放大范围、小型化的特点。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
一种片上相位敏感光放大器件，其特征在于器件主体由单独的实现光调制作用的光芯片与实现非线性参量放大作用的光芯片组成，光可以在二者之间通过耦合器件来回传输，二者的耦合方式包括利用边缘耦合器(edge coupler)进行平面对接耦合和利用垂直耦合器(vertical coupler)进行三维垂直耦合，后者主要针对三维集成的光芯片结构。本发明给出的是利用薄膜铌酸锂作为实现光调制作用的光芯片，周期反转极化薄膜铌酸锂作为实现非线性参量放大作用的光芯片给出的具体实施方法。需要指出的是，调制器芯片并不限于使用铌酸锂材料，包括硅、磷化铟、聚合物等可以在其上制备光调制器的材料平台；非线性参量过程芯片并不限于使用周期极化薄膜铌酸锂，包括钽酸锂、铌酸钾、磷酸钛氧钾、铝砷化镓等可以进行周期极化或不可以进行周期性极化的二阶非线性光学材料，也包括氮化硅、氮化铝等三阶非线性光学材料。
一种基于薄膜铌酸锂和PPLN薄膜的片上相位敏感光放大器件，其特征在于器件主体由两片薄膜铌酸锂芯片对接粘合形成，两片薄膜铌酸锂芯片分别为未经过极化的普通薄膜铌酸锂芯片1(LN片)和经过极化之后的PPLN芯片2(PPLN片)。在LN片1上，包含2×1 多模干涉耦合器(multimode interference,MMI)105、106、107，微环谐振器101、108、110，级联微环谐振器111，交叉波导(Waveguide Crossing)104，非对称马赫曾德干涉器(MZI) 112、113、114，级联非对称马赫曾德干涉器115，边缘耦合器109，相位调制器103等无源和有源集成光子器件。在PPLN片2上，包含多根经过准相位匹配设计的PPLN波导22、23、 24以及PPLN边缘耦合器21。LN片1和PPLN片2对准粘合在一起，利用设计好的边缘耦合器21、109来实现芯片之间的低损耗边缘耦合，使得光可以在两片芯片之间低损地来回传输。其中，PPLN波导23通过边缘耦合器21，经过LN片1上的边缘耦合器109通过直波导连接微环谐振器108，后续的直波导部分经过MMI 107分为两束光路，一路通过交叉波导104 连接相位调制器103，另一路通过MMI 106与另一根直波导合束后通过边缘耦合器109与 PPLN片2的边缘耦合器21耦合进入PPLN波导24。由于PPLN波导24为弯曲波导，其弯曲后再次经过21与109耦合进入LN片1，通过直波导连接微环谐振器110，其输出直波导与相位调制器103的输出直波导经过MMI 105进行合束后，再次通过21与109耦合进入PPLN 片2上的PPLN波导22。PPLN波导22同样为弯曲波导，其输出部分再次通过21与109耦合进入LN片1，连接微环谐振器101与级联微环谐振器111。
进一步的，所述LN片1上的2×1MMI包括用于将倍频泵浦光分成强度相同的两束光分别传输的分束器107，将信号光与倍频泵浦光进行合束的第一合束器106，以及将信号光，闲频光和倍频泵浦光进行合束的第二合束器105。
进一步的，所述LN片1上的微环谐振器101、108、110为用于滤波的薄膜铌酸锂波导器件，为滤波频谱范围较窄的光带通滤波器，适用于滤除准单色的泵浦光或经过倍频之后的泵浦光。所述LN片1上的级联微环谐振器111为用于宽谱滤波的光带通滤波器，适用于滤除加载了信号并具有一定带宽的闲频光。微环谐振器和级联微环谐振器均需加载加热电极(heater)或集总电极(lumped electrode)，以利用热光效应或电光效应对微环的谐振波长位置进行精确的调谐。
进一步的，所述LN片1上的非对称MZI 112、113、114为用于滤波的薄膜铌酸锂波导器件，可以与微环谐振器结构101、108、110相互替换，为滤波频谱范围较窄的光带通滤波器，适用于滤除准单色的泵浦光或经过倍频之后的泵浦光。所述LN片1上的级联非对称MZI115为用于宽谱滤波的光带通滤波器，可以与级联微环谐振器结构111相互替换，适用于滤除加载了信号并具有一定带宽的闲频光。MZI和级联MZI均需加载加热电极(heater)或集总电极(lumped Electrode)，以利用热光效应或电光效应对MZI滤波器的滤波波长进行精确的调谐。
进一步的，所述LN片1上的边缘耦合器109为用于将光耦合进出LN片1的片上光耦合器，其可被设计为倒锥波导的结构，在接近芯片边缘的过程中边缘耦合器的波导宽度由细变粗，可以增大模场面积，缓解对于两片芯片进行对准耦合时的精度需求，提高耦合效率。
进一步的，所述LN片1上的相位调制器103为用于调整经过MMI 107之后的倍频泵浦光其中一路的相位，包括中心波导和电极102。其适用于在相位敏感参量放大过程中对倍频泵浦光相位的调节，实现相位敏感的参量放大，与锁相环共同作用并补偿倍频泵浦光的相位噪声，从而达到稳定倍频泵浦光相位的目的。
进一步的，所述PPLN片2上的PPLN波导包括用于对泵浦光进行倍频的PPLN波导23，用于产生与信号光相位共轭的闲频光的PPLN波导24，和用于相位敏感参量放大的PPLN波导22。其准相位匹配条件分别应为：
其中βp，βs，βi分别为泵浦光，倍频泵浦光，信号光以及闲频光在PPLN波导中的传播常数，Λ1为用于对泵浦光进行倍频的PPLN波导23的极化反转周期，Λ2为用于产生共轭闲频光和相位敏感参量放大的PPLN波导24、22的极化反转周期。除了进行准相位匹配之外，PPLN波导24、22还需进行相应的色散管理，通过优化脊型波导的波导宽度与波导高度，使信号光和闲频光的群速度色散(group velocity dispersion,GVD)以及他们之间的群速度差(group velocity mismatch,GVM)尽可能小，以满足在PPLN波导中的传播过程中，二者在时空上始终交叠，保证一定强度的非线性相互作用，从而获得稳定的PSA增益。
进一步的，所述PPLN片2上的边缘耦合器21为用于将光耦合进出PPLN片2的片上光耦合器，其可被设计为倒锥波导的结构，在接近芯片边缘的过程中边缘耦合器的波导宽度由细变粗，可以增大模场面积，缓解对于两片芯片进行对准耦合时的精度需求，提高耦合效率。
进一步的，所述LN片和PPLN片经过对准粘合之后，需要进行封装以稳定其性能，由于PPLN波导的非线性转换效率，以及微环谐振器、非对称MZI的谐振波长等均与温度有关，所述LN片与PPLN片需要放置在一半导体制冷片(thermo electric cooler,TEC)上，并将其封装到在一个具有复数光纤端口的定制蝶形封装管壳中。半导体制冷片，微环谐振器或MZI的加热电极或集总电极以及相位调制器的电极均通过金丝键合的方式分别连接到蝶形封装的管脚引出线上。当器件处于运行状态时，通过对LN片上引出的探测光的强度的探测，调整相应的微环谐振器或MZI的偏置电压，使得探测光的强度达到最强，此时滤波器的滤波效果最好；输出的放大后的信号光需经过一个光纤分束器，将5％的输出信号光引入到一个光电探测器中进行探测，并通过一个锁相环进行比例积分微分(PID)控制，将光电探测器的输出电压信号反馈到LN片相位调制器的电极上，使得输出的信号光强度达到最强，此时该片上光放大器稳定工作在相位敏感放大PSA状态。PID反馈控制的主要目的是补偿泵浦激光器的相位噪声，当选用线宽非常窄的激光作为泵浦光时，相位的漂移速度相对较慢，此时可以用数字锁相环来代替模拟锁相环，包括微环或MZI偏置电压在内的控制均可以利用处理速度较快的FPGA芯片实现。
进一步的，由于所述PPLN波导以及LN片的电光效应均和铌酸锂薄膜的晶向有关，因此输入到所述光放大器中的光需具有单一的偏振态，对于X切的薄膜铌酸锂以及PPLN晶体来说，进入到PPLN波导或LN波导中传输的光需为TE模式，这样才能利用铌酸锂Z晶向的高非线性系数和电光效应系数。当应用所述光放大器放大光纤中传输的偏振复用信号时，需要进行分偏振后再分别进行放大的方案，以X切的薄膜铌酸锂以及PPLN片为例，利用偏振分束器(PBS)将信号光分束为X偏振和Y偏振的信号光，同时对于泵浦光也利用PBS将其分为X偏振和Y偏振的。对于偏振方向为Y方向的信号光和泵浦光，需要利用偏振旋转器(Polarization Rotator)将Y偏振光旋转为X方向，这里的偏振旋转器既可以是片外的也可以是集成在LN片上的片上Rotator。之后X偏振光以及经过偏振旋转后的Y偏振光分别注入到两个所述光放大器中，分别对其进行放大，在输出端对放大后的Y偏振信号光的偏振方向旋转回Y方向后，与放大后的X偏振信号光再利用一个PBS进行合束，得到放大后的偏振复用信号光。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
本发明所述方法利用copier-PSA方案，利用薄膜铌酸锂集成光子平台的高集成度，实现片上的相位敏感参量光放大，具有低噪声、宽谱放大范围、小型化等优点。相比于传统的基于高非线性光纤的PSA光放大解决方案，本发明的片上PSA光放大方案不要求在光纤信道中对信号光以及闲频光的同时传输，对于光纤信道的频谱资源没有任何浪费，放大过程仅在片上进行，不需要对现有的光纤通信系统做任何改进即可将EDFA替换为本发明所述光放大器作为光纤通信链路中的全光放大中继，大大降低了PSA的实际应用复杂度。此外，由于放大过程仅在尺寸非常微小的芯片上进行，各光也仅在片上波导之中传输，传输距离远比在非线性光纤中小得多，群速度色散、群速度失配等效应对于获得稳定PSA增益的影响也更小，属于片上系统的先天优势，对于光纤通信容量的进一步提升以及新兴片上光放大技术的应用具有推动作用。
附图说明
图1是本发明可以采取的微环型片上相位敏感光放大器结构示意图。
图2是本发明可以采取的非对称马赫曾德干涉型相位敏感光放大器结构示意图。
图3是本发明可以采取的器件封装结构示意图。
图4是本发明单偏振状态下的工作方式，包括外围电路和外围器件示意图。
图5是本发明应用于偏振复用信号放大场景下的工作方式示意图。
图6是利用四阶-五阶龙格库塔算法分别对描述idler-copier过程和PSA过程微分方程组进行数值求解的结果；
(a)闲频光复制过程中信号光增益随着初始相位差的变化关系，
(b)相位敏感放大过程中信号光增益随着初始相位差的变化关系。
图7是本发明基于的copier-PSA过程的原理图；
(a)闲频光复制，(b)相位敏感放大
图8是仿真中扫描泵浦光相位时OOK信号经过本发明的微环型片上相位敏感光放大器实施例放大之后的信号光眼图的演化过程；
(a)泵浦光相位为0°时经过放大之后的眼图；
(b)泵浦光相位为36°时经过放大之后的眼图；
(c)泵浦光相位为72°时经过放大之后的眼图；
(d)泵浦光相位为108°时经过放大之后的眼图。
图9是仿真过程中假设泵浦光(a)存在相位噪声并不对其进行补偿和(b)锁相环可以完全补偿相位噪声时QPSK信号经过本发明的微环型片上相位敏感光放大器实施例放大之后经过相干接收后以及载波相位恢复之后的星座图；
(a)考虑在泵浦光存在线宽等非理想情况下存在相位噪声且不利用锁相环进行相位锁定的情况下，经过相干接收之后的QPSK星座图，以及经过盲相位搜索算法进行载波相位恢复之后得到的星座图；
(b)考虑引入的锁相环稳定补偿了泵浦光的相位噪声之后经过相干接收之后的QPSK星座图，以及经过盲相位搜索算法进行载波相位恢复之后得到的星座图。
具体实施方式
下面通过结合本发明的一个基于薄膜铌酸锂材料以及周期极化薄膜铌酸锂材料的实施例，对本发明的工作原理进行说明，本发明下面假设所使用的铌酸锂和周期极化铌酸锂都是X切的。
如图1所示是本发明基于薄膜铌酸锂与周期极化薄膜铌酸锂的实施例的一种实现方案，由于其LN片上的滤波功能由微环实现，故称之为微环型片上相位敏感光放大器。下面结合该实施例，以放大1550nm波段的信号光为例，对本发明的原理进行描述：
第一步：波长为1550nm附近的泵浦光经过PPLN片2上用于二次谐波产生的直PPLN波导23，发生倍频效应，输出775nm附近的倍频泵浦光，通过PPLN片2上的边缘耦合器 21以及LN片上的边缘耦合器109低损地耦合进入LN片1。
第二步：上一步中从PPLN片2输出的倍频泵浦光中仍存在1550nm附近的原始泵浦光，为了保证后续非线性过程的纯净，微环108将1550nm附近的原始泵浦光滤除，经过LN片1的边缘耦合出片外，成为第一探测光。
第三步：倍频泵浦光通过多模耦合器107分束为强度相同的两束，一束经过多模耦合器 106与输入的1550nm波段的信号光进行合束，一束输入到相位调制器103中进行相位调制。其中信号光从LN片1的边缘输入，期间通过交叉波导104进入到多模耦合器106中，交叉波导104保证两交叉波导中传播的光没有串扰。
第四步：经过106合束后的信号光与倍频泵浦光通过边缘耦合器由LN片1低损地耦合进入PPLN片2上的用于产生共轭闲频光的PPLN波导24，倍频泵浦光在该PPLN波导中发生参量下转换，产生与信号光相位共轭的闲频光，此即为闲频光复制(idler-copier)过程，其三波混频相互作用方程为：
其中Es，Ei,分别为PPLN波导中的信号光、闲频光与倍频泵浦光的复振幅，它们都是随着在PPLN波导中的传播距离z而演化；/>是PPLN波导的相位失配量；κ是PPLN波导的非线性耦合系数，满足/>其中deff为有效非线性系数，ns，ni，/>分别为信号光、闲频光与倍频泵浦光的有效折射率，Aeff为有效模场面积。本发明将信号光、闲频光与倍频泵浦光的复振幅分别写作：
Es(z)＝As(z)exp(jφs(z))，Ei(z)＝Ai(z)exp(jφi(z)),
其中As(z)，Ai(z)，分别表示信号光、闲频光与倍频泵浦光的振幅大小随着传播方向的变化，φs(z)，φi(z)，/>分别表示信号光、闲频光与倍频泵浦光相位随着传播方向的变化。
将上述表达式代入三波混频相互作用方程并进行整理，可以得到如下的四个方程：
其中
可以看到这是一个只和As(z)，Ai(z)，与θ(z)有关的微分方程组。
在本步中，在PPLN波导的入射端三波的复振幅分别为：
Es(0)＝As0 exp(jφs0)，Ei＝0
其中As0，分别代表入射端的信号光与倍频泵浦光的初始幅度，φs0，/>分别代表入射端的信号光与倍频泵浦光的初始相位，此时入射端无闲频光。
利用四阶-五阶龙格库塔算法对上述问题进行数值求解，本发明得到了在典型条件下出射信号光的增益随着初始相位差的变化情况，如图6(a)所示。可以看到在入射端没有闲频光参与的情况下，信号光的增益是平坦的而且不会随着初始相位差变化，因此 idler-copier过程为相位不敏感的参量放大过程(PIA)，因此在第四步中并不需要对入射的信号光与倍频泵浦光之间的相位差做任何管理。进一步的，可以证明产生的闲频光是信号光的一个相位共轭波。
第五步：上一步中出射的信号光、闲频光以及倍频泵浦光通过PPLN片2上的边缘耦合器21耦合回LN片1，之后首先通过直波导与微环谐振器110耦合后滤除掉残余的倍频泵浦光，并将通过芯片边缘将其耦合出LN片1成为第二探测光。同时，经过107分束后的第二束倍频泵浦光经过交叉波导104进入到相位调制器103中，102为相位调制器的信号电极和接地电极，通过相位调制器103对第二束倍频泵浦光的相位进行调整。
第六步：第四步中出射的信号光、闲频光与第五步中经过相位调制的第二束倍频泵浦光通过多模耦合器105进行合束，并经过LN片1上的边缘耦合器109低损地耦合进入PPLN 片2上的用于相位敏感放大过程的PPLN波导22。此时，在PPLN波导22的入射端，同时存在着信号光、闲频光与倍频泵浦光，三波的复振幅可以分别表示为：
E's(0)＝A's0exp(jφ's0)，Ei(0)＝Ai0exp(jφi0)
其中A's0，Ai0分别代表入射端的信号光、倍频泵浦光与闲频光的初始幅度，φ's0，/>φi0分别代表入射端的信号光、倍频泵浦光与闲频光的的初始相位。由于从第四步中出射的信号光与闲频光是一对相位共轭光，且信号光与闲频光处于同一波段，色度色散以及群速度色散失配导致的二者的相位差变化可以忽略，仍可以认为经过同一根波导以及相同的无源器件之后的信号光与泵浦光仍满足相位共轭关系：
φi0＝const-φ's0
与第四步中类似地，利用四阶-五阶龙格库塔算法对三波混频过程进行数值求解，本发明得到了在典型条件下出射信号光地增益随着初始相位差的变化情况，如图6(b)所示。可以看到在入射端存在闲频光的情况下，信号光的增益会随着初始相位差的改变而改变，呈现出周期性的变化，因此该过程是相位敏感的参量放大过程(PSA)。为了得到放大的信号光，本发明需令初始相位差满足一定的关系，这样才能保证对于信号光的放大作用。由于从idler-copier过程中得到的闲频光是与信号光相位共轭的，因此初始相位差可以写作：
可以看到在PSA过程中的初始相位差仅由入射的倍频泵浦光的初相位有关，因此本发明可以通过第五步中相位调制器103的调节使得初始相位差稳定在PSA的相位敏感放大区域。
第七步：从PPLN波导22中出射的信号光、闲频光与倍频泵浦光经过PPLN片2上的边缘耦合器21耦合回LN片1。之后，首先通过微环谐振器101的滤波作用滤除剩余的倍频泵浦光，通过LN片1耦合出芯片外成为第三探测光；再通过级联微环谐振器111的宽谱平顶滤波作用滤除闲频光，通过LN片1耦合出芯片成为第四探测光，由于闲频光和信号光一样具有一定的带宽，因此需选用的具有宽谱滤波范围的级联微环结构。最后，经过滤波和放大之后的信号光通过LN片1耦合出芯片，信号光的放大至此完成。
如图2所示是本发明基于薄膜铌酸锂与周期极化薄膜铌酸锂的实施例的另外一种实现方案，由于其LN片上的滤波功能由非对称马赫曾德干涉器实现，故称之为非对称马赫曾德型片上相位敏感光放大器。相比于微环型片上相位敏感光放大器，其差别在于片上滤波功能主要由非对称MZI结构实现，且由于非对称MZI结构的稳定性强于微环谐振器，故去掉了用于精确调谐滤波的第一探测光，第二探测光，第三探测光以及第四探测光。而且由于微环的谐振原理会增强非线性效应，有可能会在滤波时从非线性效应引入新的波长成分，而非对称MZI结构则没有这个缺点。除此之外，非对称马赫曾德型片上相位敏感放大器的放大原理同图1的微环型片上相位敏感放大器的放大原理完全一致。其中非对称MZI结构112用于替代微环108实现对于倍频过程之后剩余泵浦光的滤除，非对称MZI结构113用于替代微环110 实现对idler-copier过程之后的剩余倍频泵浦光的滤除，非对称MZI结构114用于替代微环 101实现对于PSA过程之后的剩余倍频泵浦光的滤除，级联非对称MZI结构115用于替代级联微环111实现对于PSA过程之后的闲频光的滤除。
如图3所示是本发明的微环型片上相位敏感放大器实施例的一种封装方式，利用一个具有复数光纤端口的定制蝶形封装管壳3对片上参量光放大器进行封装。其内部需集成一半导体制冷片4用于稳定器件的工作温度，光纤端口301用于输入泵浦光，端口303用于输出第一探测光，端口304用于输出第二探测光，端口305用于输入信号光，端口306用于输出第三探测光，端口307用于输出放大后的信号光，端口308用于输出第四探测光。半导体制冷片4，微环谐振器或非对称MZI的加热电极或集总电极以及相位调制器的电极均通过金丝键合的方式分别连接到蝶形封装的管脚引出线302上。
如图4是本发明的微环型片上相位敏感放大器实施例在单偏振状态下的工作方式，包括需要的外围电路和外围器件。泵浦光在经过一个EDFA进行放大之后通过301耦合进入芯片，信号光通过305耦合进入芯片。PD1，PD2，PD3，PD4分别为用于检测第一探测光，第二探测光，第三探测光，第四探测光的光功率计，通过调整四个探测器接受到的光强达到最大使得微环谐振器工作在最佳滤波状态。放大后的信号光通过307耦合出芯片之后通过一95:5的光纤分束器分出5％的信号光用于信号光功率检测，经过探测器接受之后输出的电信号经过模拟或数字锁相环的PID控制反馈到蝶形封装的管脚引出线302上，再反馈到相位调制器103 的电极上，改变倍频泵浦光的相位，使放大信号光的输出功率达到最大，从而锁定初始相位差，使得器件稳定工作在相位敏感放大的情况。由于本发明实际中的泵浦光都是具有一定线宽的激光器，且激光器的波长等都会随着温度漂移，因此在PSA过程中的是叠加了一定的相位噪声的，其值会随着时间变化，因此在外围电路中引入锁相环进行锁相对于器件的稳定性来说是必须的。如果泵浦光激光器的线宽越窄，品质越高，对于锁相环响应速度的需求也就越小。
如图5是本发明的微环型片上相位敏感放大器实施例应用于偏振复用信号放大场景下的工作方式。在光纤中传输的偏振复用信号首先经过一个偏振分束器PBS把X偏振和Y偏振的信号分开，其中X偏振信号光直接输入到一个封装好的片上放大器中，Y偏振信号光通过一个偏振旋转器Rotator旋转为X偏振方向后再输入到另一个封装好的片上放大器中。从经过EDFA放大之后的泵浦激光器来的具有任意偏振方向的泵浦光经过一个PBS后分为X偏振和Y偏振的泵浦光，其中X偏振泵浦光直接输入到注入X偏振光的封装好的片上放大器中， Y偏振泵浦光经过一个偏振旋转器Rotator旋转为X偏振方向后再输入到注入Y偏振信号光的封装好的片上放大器中。此时，在两个封装好的片上放大器中传输的都将会是TE模式，由于本发明假设采用的都是X切的铌酸锂，这样才能获得最好的非线性效应和电光效应。经过偏振旋转之后被放大的Y偏振信号光在出射端再次经过一个偏振旋转器Rotator被旋转回Y 偏振方向，与被放大之后的X偏振信号光经过一个PBS进行合束之后得到放大之后的偏振复用的信号光。
如图6所示是利用四阶-五阶龙格库塔算法分别对描述idler-copier过程和PSA过程微分方程组进行数值求解的结果。图6(a)是idler-copier过程中信号光增益随着初始相位差的变化，可以看出信号的增益并不随着初始相位差的变化而改变，因此该过程是相位不敏感的；图6(b)是PSA过程中信号光增益随着初始相位差的变化，可以看出信号的增益随着初始相位差的变化而呈现周期性的变化，对于信号光会在放大和压缩之间来回变化，因此该过程是相位敏感的。
如图7所示是idler-copier过程和PSA过程发生的非线性物理效应示意图，图7(a)为 idler-copier过程中发生的二次谐波产生(SHG)与差频(DFG)过程，图7(b)为PSA过程中发生的光学参量放大(OPA)过程，本质上也属于DFG过程。
如图8所示是仿真中扫描泵浦光相位时OOK信号经过本发明的微环型片上相位敏感光放大器实施例放大之后的信号光眼图的演化过程。本发明在商用光通信仿真以及光子集成芯片设计软件VPI TransmissionMaker和VPI ComponentMaker中搭建了本发明所提出的片上低噪声光放大器芯片设计以及系统设计，对本发明对于OOK信号光的放大原理以及可行性进行了仿真验证。图8为仿真中经过微环型片上相位敏感光放大器放大之后的OOK信号的眼图分析，在图8(a)-(d)的过程中对相位调制器的电极电压进行了扫描，可以从图中看出微环型片上相位敏感光放大器对于OOK信号的放大增益随着电压变化，在图8(a)中其对于OOK信号的放大作用甚微，而到了图8(d)中其对于OOK信号的放大作用则十分明显，进而论证了放大过程是相位敏感的。
如图9所示是仿真过程中本发明假设泵浦光存在相位噪声和锁相环可以完全补偿相位噪声时QPSK信号经过本发明的微环型片上相位敏感光放大器实施例放大之后经过相干接收后以及载波相位恢复之后的星座图。和图8中的仿真设置相同，本发明在商用光通信仿真以及光子集成芯片设计软件VPI TransmissionMaker和VPI ComponentMaker中搭建了本发明所提出的片上低噪声光放大器芯片设计以及系统设计，在QPSK传输系统中验证本发明对于QAM 信号的放大原理以及可行性。图9(a)是考虑在泵浦光存在线宽等非理想情况下存在相位噪声且不利用锁相环进行相位锁定的情况下，经过相干接收之后的QPSK星座图，以及经过盲相位搜索算法进行载波相位恢复之后得到的星座图。可以看到，由于放大过程是相位敏感的，在未对相位噪声进行锁相补偿时PSA的放大增益并不是恒定的，所以相位噪声会造成星座点在信号空间的大范围弥散，导致经过相位恢复之后仍不能解调出正确的QPSK信号。与此相对应的，图9(b)是考虑引入的锁相环稳定补偿了泵浦光的相位噪声之后经过相干接收之后的QPSK星座图，以及经过盲相位搜索算法进行载波相位恢复之后得到的星座图。可以看出，由于对相位噪声的补偿，使得PSA的放大增益始终维持在增益值最大的情况下，经过相位恢复之后可以成功地得到正确的QPSK信号，验证了本发明对于QAM信号同样具有放大作用，综上其放大作用对于调制格式是透明的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (10)
1.一种低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，包括用于实现光调制的第一光芯片(1)与用于实现非线性参量放大的第二光芯片(2)；所述第一光芯片(1)上包含第一多模干涉耦合器(105)、第二多模干涉耦合器(106)、第三多模干涉耦合器(107)、第一微环谐振器(101)、第二微环谐振器(108)、第三微环谐振器(110)、级联微环谐振器(111)、第一交叉波导、第二交叉波导、第三交叉波导、相位调制器(103)和多个耦合器；所述第二光芯片(2)上包含第一波导(22)、第二波导(23)、第三波导(24)和多个耦合器；其中，
第二波导(23)通过耦合器与第二微环谐振器(108)连接，第二波导(23)用于将接收的泵浦光倍频后耦合输入到第二微环谐振器(108)；
第二微环谐振器(108)从所接收光束中过滤出原始泵浦光并将其输出到第一光芯片(1)外，作为第一探测光；将所接收光束中的倍频泵浦光经第一交叉波导输入第三多模干涉耦合器(107)；
第三多模干涉耦合器(107)将输入光束分为两束光路，一路通过第二交叉波导输入相位调制器(103)；另一路与第二多模干涉耦合器(106)一合束输入端连接，第二交叉波导一端与第二多模干涉耦合器(106)另一合束输入端连接，用于将信号光输入第二多模干涉耦合器(106)；
第二多模干涉耦合器(106)的合束输出端经第三交叉波导、耦合器与第二光芯片(2)耦合连接，用于将光束耦合进入第三波导(24)；
第三波导(24)用于产生与所述信号光相位共轭的闲频光，并将所述信号光、闲频光以及倍频泵浦光通过耦合器耦合输入到第三微环谐振器(110)；
第三微环谐振器(110)用于从所接收光束中过滤出倍频泵浦光并将其通过第三交叉波导、第一交叉波导输出到第一光芯片(1)外，作为第二探测光；以及将过滤后的光束输入到第一多模干涉耦合器(105)的一耦合输入端；相位调制器(103)的输出端与第一多模干涉耦合器(105)的另一耦合输入端连接；
第一多模干涉耦合器(105)对的耦合输出端通过耦合器将两输入光束合束耦合输出到第一波导(22)；
第一波导(22)用于对输入光束进行相位敏感放大后通过耦合器，将相位敏感放大后的信号耦合输入第一微环谐振器(101)；
第一微环谐振器(101)用于从所接收光束中过滤出倍频泵浦光并将其输出到第一光芯片(1)外，作为第三探测光；以及将过滤后的光束输入到级联微环谐振器(111)；
级联微环谐振器(111)用于从所接收光束中过滤出闲频光并将其输出到第一光芯片(1)外，作为第四探测光；以及将过滤后的光束作为放大后的信号光输出到第一光芯片(1)外。
2.一种低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，包括用于实现光调制的第一光芯片(1)与用于实现非线性参量放大的第二光芯片(2)；所述第一光芯片(1)上包含第一多模干涉耦合器(105)、第二多模干涉耦合器(106)、第三多模干涉耦合器(107)、第一非对称MZI结构(114)、第二非对称MZI结构(112)、第三非对称MZI结构(113)、级联非对称MZI、第二交叉波导、第三交叉波导、相位调制器(103)和多个耦合器；所述第二光芯片(2)上包含第一波导(22)、第二波导(23)、第三波导(24)和多个耦合器；其中，
第二波导(23)通过耦合器与第二非对称MZI结构(112)连接，第二波导(23)用于将接收的泵浦光倍频后耦合输入到第二非对称MZI结构(112)；
第二非对称MZI结构(112)从所接收光束中滤除原始泵浦光，将倍频泵浦光输入第三多模干涉耦合器(107)；
第三多模干涉耦合器(107)将输入光束分为两束光路，一路通过第二交叉波导输入相位调制器(103)；另一路与第二多模干涉耦合器(106)一合束输入端连接，第二交叉波导一端与第二多模干涉耦合器(106)另一合束输入端连接，用于将信号光输入第二多模干涉耦合器(106)；
第二多模干涉耦合器(106)的合束输出端经第三交叉波导、耦合器与第二光芯片(2)耦合连接，用于将光束耦合进入第三波导(24)；
第三波导(24)用于产生与所述信号光相位共轭的闲频光，并将所述信号光、闲频光以及倍频泵浦光通过耦合器耦合输入到第三非对称MZI结构(113)；
第三非对称MZI结构(113)用于从所接收光束中滤除倍频泵浦光并将过滤后的光束输入到第一多模干涉耦合器(105)的一耦合输入端；相位调制器(103)的输出端与第一多模干涉耦合器(105)的另一耦合输入端连接；
第一多模干涉耦合器(105)对的耦合输出端通过耦合器将两输入光束合束耦合输出到第一波导(22)；
第一波导(22)用于对输入光束进行相位敏感放大后通过耦合器，将相位敏感放大后的信号耦合输入第一非对称MZI结构(114)；
第一非对称MZI结构(114)用于从所接收光束中滤除倍频泵浦光并将过滤后的光束输入到级联非对称MZI；
级联非对称MZI用于从所接收光束中滤除闲频光并将过滤后的光束作为放大后的信号光输出到第一光芯片(1)外。
3.根据权利要求1或2所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述第一波导(22)、第二波导(23)、第三波导(24)满足的准相位匹配条件为：相位失配量
Δk＝βp SHG-2βp-2π/Λ1≡0，Δk＝βp SHG-βs-βi-2π/Λ2≡0；其中βp，βp SHG，βs，βi分
别为泵浦光、倍频泵浦光、信号光以及闲频光在波导中的传播常数，Λ1为第二波导(23)的极化反转周期，Λ2为第三波导(24)、第一波导(22)的极化反转周期。
4.根据权利要求1或2所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述第三波导(24)、第一波导(22)为脊型波导；通过优化所述脊型波导的波导宽度与波导高度，使信号光和闲频光的群速度色散以及群速度差趋于最小值。
5.根据权利要求1或2所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述耦合器为倒锥波导结构的片上光耦合器，所述片上光耦合器在接近芯片边缘的过程中波导宽度由细变粗。
6.根据权利要求1或2所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述第一光芯片(1)、第二光芯片(2)分别放置在一半导体制冷片上，然后将所述第一光芯片(1)上的各耦合器与第二光芯片(2)上的各对应耦合器对准粘合封装。
7.根据权利要求6所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述第一光芯片(1)、第二光芯片(2)上各单元的电极均通过金丝键合的方式连接到蝶形封装结构的管脚引出线上。
8.根据权利要求1或2所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述第一光芯片(1)为未经过极化的薄膜铌酸锂芯片，即LN芯片；所述第二光芯片(2)为经过极化之后的薄膜铌酸锂芯片，即PPLN芯片。
9.根据权利要求1或2所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述第三多模干涉耦合器为1×2分束器，用于将倍频泵浦光分成强度相同的两束光；第一多模干涉耦合器(105)、第二多模干涉耦合器(106)为2×1的合束器。
10.根据权利要求1或2所述的低噪声片上参量光放大器件，其特征在于，所述相位调制器(103)用于在相位敏感参量放大过程中对倍频泵浦光相位进行调节，实现相位敏感的参量放大。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |