CN115134004B - 一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片 - Google Patents
一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于光通信技术领域,公开了一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,包括集成在同一衬底上的第一分束器、第一偏振分束旋转器、第二偏振分束旋转器、第二分束器、第三分束器、第一延时光波导、第一移相器、第三偏振分束旋转器、第四分束器、第五分束器、第二延时光波导、第二移相器和第四偏振分束旋转器。与现有技术相比,本发明可实现偏振无关的稳定自相干接收,无需主动偏振控制,消除信号光偏振态随机变化对接收机的影响,提升了接收装置的稳定性。另外,不存在偏振相关频移。并且接收装置只需要2个延迟干涉仪和2套平衡探测器,降低了接收探测后电子学信号处理的难度和复杂度,因此可以大大降低接收端的体积和复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域,特别涉及一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片。
背景技术
由于单模光纤存在双折射效应,光信号在光纤信道中传输时偏振态会发生随机变化,不仅影响光信号的干涉,还会引入偏振相关频移,因此在对光信号进行相干接收时需要进行偏振处理,以保证解调的稳定性。对于自相干探测技术,不需要在接收端使用本振激光器,通过利用延迟干涉仪来使信号光进行延迟自干涉,可降低接收端的复杂度。延迟干涉仪可通过集成光芯片技术实现,使得相干光通信设备易于实现小型化,实现大规模应用。
针对接收光信号偏振随机变化的问题,一种常用的解决方法是使用偏振控制器来实时校准接收到的信号光偏振态,如文献Faralli, Stefano, et al. "Integratedhybrid Si/InGaAs 50 Gb/s DQPSK receiver." Optics Express 20.18 (2012): 19726-19734,虽然采用硅基的延迟干涉仪实现了芯片化,但是该方案需要采用偏振控制器来校准入射的偏振态,且严重依赖于偏振扰动速率;第二种是采用偏振分集技术,如专利CN113218518A和文献Li, Jingshi, et al. "A self-coherent receiver for detectionof PolMUX coherent signals." Optics Express 20.19 (2012): 21413-21433”,通过将信号光分成偏振相互垂直的两个分量分别与进行延迟自干涉,通过电信号的比较或求和来恢复信号加载的业务数据。但是偏振分集技术需要2对延迟干涉仪以及额外的电子学处理模块,增大了系统复杂度。还有一种方案是对集成延迟干涉仪进行改造,如文献Wang, Jin,et al. "Polarization insensitive 25-Gbaud direct D (Q) PSK receiver based onpolymer planar lightwave hybrid integration platform." Optics express 19.13(2011): 12197-12207.在不等臂MZ干涉仪的长短臂中间插入半波片,并设置4个热调移相器,可以降低干涉仪的偏振相关性,然而该方案无法消除偏振相关频移。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷,本发明提出一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片。
本发明的技术方案是这样实现的:
一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,包括集成在同一衬底上的第一分束器、第一偏振分束旋转器、第二偏振分束旋转器、第二分束器、第三分束器、第一延时光波导、第一移相器、第三偏振分束旋转器、第四分束器、第五分束器、第二延时光波导、第二移相器和第四偏振分束旋转器,
所述第一分束器用于对输入的信号光进行分束,产生第一信号光分量和第二信号光分量;
所述第一偏振分束旋转器用于将入射至其输入端口的第一信号光分量进行偏振分束,产生第一偏振分量和第二偏振分量;
所述第二分束器的两个输出端口和第三分束器的两个输出端口分别通过光波导相连,并在其中一路光波导设置有第一延时光波导,在另一路光波导设置有第一移相器,构成第一延迟干涉仪;
所述第一延迟干涉仪用于将入射至第二分束器一个输入端口的第一偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第三分束器两个输入端口出射的第一干涉分量和第二干涉分量;以及用于将入射至第三分束器一个输入端口的第二偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第二分束器两个输入端口出射的第三干涉分量和第四干涉分量;
所述第一移相器用于使第一延迟干涉仪长短臂的相位差为0;
所述第一偏振分束旋转器还用于将第一干涉分量和第三干涉分量进行偏振合束,产生第一干涉光信号;所述第三偏振分束旋转器用于将第二干涉分量和第四干涉分量进行偏振合束,产生第二干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器用于将入射至其输入端口的第二信号光分量进行偏振分束,产生第三偏振分量和第四偏振分量;
所述第四分束器的两个输出端口和第五分束器的两个输出端口分别通过光波导相连,并在其中一路光波导设置有第二延时光波导,在另一路光波导设置有第二移相器,构成第二延迟干涉仪;
所述第二延迟干涉仪用于将入射至第四分束器一个输入端口的第三偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第五分束器两个输入端口出射的第五干涉分量和第六干涉分量;以及用于将入射至第五分束器一个输入端口的第四偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第四分束器两个输入端口出射的第七干涉分量和第八干涉分量;
所述第二移相器用于使第二延迟干涉仪长短臂的相位差为π/2;
所述第二偏振分束旋转器还用于将第五干涉分量和第七干涉分量进行偏振合束,产生第三干涉光信号;所述第四偏振分束旋转器用于将第六干涉分量和第八干涉分量进行偏振合束,产生第四干涉光信号。
优选地,所述集成光芯片还包括偏振旋转模块,所述偏振旋转模块用于使第三干涉分量与第一偏振分量的偏振态垂直、第一干涉分量与第二偏振分量的偏振态垂直、第七干涉分量与第三偏振分量的偏振态垂直以及第五干涉分量与第四偏振分量的偏振态垂直,
所述第一偏振分束旋转器还包括另一个输入端口,用于输出第一干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器还包括另一个输入端口,用于输出第三干涉光信号。
优选地,所述偏振旋转模块包括刻槽、半波片和法拉第旋光片,
所述刻槽横向贯穿连接第一偏振分束旋转器一个输出端口与第二分束器一个输入端口的第一光波导、连接第一偏振分束旋转器另一个输出端口与第三分束器一个输入端口的第二光波导、连接第二偏振分束旋转器一个输出端口与第四分束器一个输入端口的第三光波导以及连接第二偏振分束旋转器另一个输出端口与第五分束器一个输入端口的第四光波导;
所述半波片和法拉第旋光片对齐并紧密贴合,置于刻槽内;
所述半波片的主轴方向与水平方向夹角为22.5°,所述法拉第旋光片的偏振旋转角度为45°,
所述第一偏振旋转光波导(14-4)用于使第三干涉分量的偏振态旋转90°,使第一偏振分量偏振态不变,
所述第二偏振旋转光波导(14-5)用于使第一干涉分量的偏振态旋转90°,使第二偏振分量偏振态不变,
所述第三偏振旋转光波导(14-6)用于使第七干涉分量的偏振态旋转90°,使第三偏振分量偏振态不变,
所述第四偏振旋转光波导(14-7)用于使第五干涉分量的偏振态旋转90°,使第四偏振分量偏振态不变。
优选地,所述偏振旋转模块包括均由依次相连的半波片光波导和法拉第旋光波导构成的第一偏振旋转光波导、第二偏振旋转光波导、第三偏振旋转光波导和第四偏振旋转光波导;所述半波片光波导的主轴方向与水平方向夹角为22.5°,所述法拉第旋光波导的偏振旋转角度为45°;
依次相连的半波片光波导和法拉第旋光波导用于将从反向经过的光信号偏振态旋转90°,而正向经过的光信号偏振态不变。
优选地,所述第一延时光波导包含第一子延时光波导和第二子延时光波导;所述第一移相器包含第一子移相器和第二子移相器;
所述第二延时光波导包含第三子延时光波导和第四子延时光波导;所述第二移相器包含第三子移相器和第四子移相器;
所述偏振旋转模块包括第一90°偏振旋转结构、第二90°偏振旋转结构、第三90°偏振旋转结构和第四90°偏振旋转结构,分别用于将正反向经过的光信号进行90°偏振旋转;
所述第一90°偏振旋转结构位于第一子延时光波导和第二子延时光波导中间;所述第二90°偏振旋转结构位于第一子移相器和第二子移相器中间;
所述第三90°偏振旋转结构位于第三子延时光波导和第四子延时光波导中间;所述第四90°偏振旋转结构位于第三子移相器和第四子移相器中间。
与现有技术相比,本发明有以下有益效果:
本发明提出一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,通过使用偏振分束旋转器将输入信号光的两个正交偏振分量分束后,分别从相反的方向经过双向复用延迟干涉仪进行自干涉,并将两个偏振分量的干涉结果进行偏振合束后输出,可实现偏振无关的稳定自相干接收,无需主动偏振控制,消除信号光偏振态随机变化对接收机的影响,提升了接收装置的稳定性。另外,由于信号光在偏振分束后以相同的偏振态进入干涉仪,不存在偏振相关频移。并且接收装置只需要1对延迟干涉仪和2对平衡探测器,降低了接收探测后电子学信号处理的难度和复杂度,因此可以大大降低接收端的体积和复杂度。同时,本发明不仅可以应用到光通信系统中,还可以应用到连续变量量子密钥分发系统和传感系统中,具有较高的通用性和实用性。
附图说明
图1为本发明基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片结构原理图;
图2为本发明基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片实施例一结构原理图;
图3为本发明基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片实施例二结构原理框图;
图4为本发明基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片实施例三结构原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示,基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,包括集成在同一衬底上的第一分束器1、第一偏振分束旋转器2、第二偏振分束旋转器3、第二分束器4、第三分束器5、第一延时光波导6、第一移相器7、第三偏振分束旋转器8、第四分束器9、第五分束器10、第二延时光波导11、第二移相器12和第四偏振分束旋转器13,
所述第一分束器1用于对输入的信号光进行分束,产生第一信号光分量和第二信号光分量;
所述第一偏振分束旋转器2用于将入射至其输入端口的第一信号光分量进行偏振分束,产生第一偏振分量和第二偏振分量;
所述第二分束器4的两个输出端口和第三分束器5的两个输出端口分别通过光波导相连,并在其中一路光波导设置有第一延时光波导6,在另一路光波导设置有第一移相器7,构成第一延迟干涉仪;
所述第一延迟干涉仪用于将入射至第二分束器4一个输入端口的第一偏振分量进行延迟自干涉,产生第一干涉分量和第二干涉分量,分别从第三分束器5的两个输入端口出射;以及用于将入射至第三分束器5一个输入端口的第二偏振分量进行延迟自干涉,产生第三干涉分量和第四干涉分量,分别从第二分束器4的两个输入端口出射;
所述第一移相器7用于使第一延迟干涉仪长短臂的相位差为0;
所述第一偏振分束旋转器2还用于将第一干涉分量和第三干涉分量进行偏振合束,产生第一干涉光信号;所述第三偏振分束旋转器8用于将第二干涉分量和第四干涉分量进行偏振合束,产生第二干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器3用于将入射至其输入端口的第二信号光分量进行偏振分束,产生第三偏振分量和第四偏振分量;
所述第四分束器9的两个输出端口和第五分束器10的两个输出端口分别通过光波导相连,并在其中一路光波导设置有第二延时光波导11,在另一路光波导设置有第二移相器12,构成第二延迟干涉仪;
所述第二延迟干涉仪用于将入射至第四分束器9一个输入端口的第三偏振分量进行延迟自干涉,产生第五干涉分量和第六干涉分量,分别从第五分束器10的两个输入端口出射;以及用于将入射至第五分束器10一个输入端口的第四偏振分量进行延迟自干涉,产生第七干涉分量和第八干涉分量,分别从第四分束器9的两个输入端口出射;
所述第二移相器12用于使第二延迟干涉仪长短臂的相位差为π/2;
所述第二偏振分束旋转器3还用于将第五干涉分量和第七干涉分量进行偏振合束,产生第三干涉光信号;所述第四偏振分束旋转器13用于将第六干涉分量和第八干涉分量进行偏振合束,产生第四干涉光信号。
具体工作原理如下:
第一信号光分量到达第一偏振分束旋转器2之前,偏振态变为
其中,从第二分束器4的一个输入端口进入由第二分束器4、第三分束器5、
第一延迟光波导6和第一移相器7构成的第一延迟干涉仪,在第三分束器5处进行自干涉,产
生第一干涉分量和第二干涉分量,分别从第三分束器5的两个输入端口出射,,由于第一移
相器7使第一延迟干涉仪长短臂的相位差为0,二者可分别写为
其中,τ为第一双向复用延迟干涉仪长短臂的臂长差对应的延迟。
第一干涉分量和第三干涉分量同时进入第一偏振分束旋转器2进行偏振合束,产生第一干涉光信号,
第二干涉分量和第四干涉分量同时进入第二偏振分束旋转器8进行偏振合束,产生第二干涉光信号
如果不额外增加偏振旋转模块,第一干涉光信号会从第一信号光分量进入第一偏振分束旋转器2入射的输入端口出射,因而会返回第一分束器1,无法直接探测。可通过光电探测器对第二干涉光信号进行探测、放大并过滤直流分量可以得到信号的同相分量,即
其中,R为光电探测器的响应效率,ω为信号光的角频率。
其中,τ为第二偏振无关延迟干涉仪5长短臂的臂长差对应的延迟。
通过光电探测器对第四干涉光信号进行探测、放大并过滤直流分量可以得到信号光的正交相位分量,即
最后,将同相分量和正交相位分量的电信号合成一个复信号,可以写为
将上述复信号进行采样和数字信号处理,即可恢复出信号光的电场信息,得到业务数据。
如图2所示,本发明基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片实施例一:
所述基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片的结构为:所述第一偏振分束旋转器2还包括另一个输入端口,用于输出第一干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器3还包括另一个输入端口,用于输出第三干涉光信号;
所述基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片还包含有偏振旋转模块,所述偏振旋转模块包括刻槽14-1、半波片14-2和法拉第旋光片14-3,
所述刻槽14-1被设置为横向贯穿连接第一偏振分束旋转器2一个输出端口与第二分束器4一个输入端口的第一光波导、连接第一偏振分束旋转器2另一个输出端口与第三分束器5一个输入端口的第二光波导、连接第二偏振分束旋转器3一个输出端口与第四分束器9一个输入端口的第三光波导以及连接第二偏振分束旋转器3另一个输出端口与第五分束器10一个输入端口的第四光波导;
所述半波片14-2和法拉第旋光片14-3对齐并紧密贴合,置于刻槽14-1内;
所述半波片14-2的主轴方向与水平方向夹角为22.5°,所述法拉第旋光片14-3的偏振旋转角度为45°。
所述依次相连的半波片14-2和法拉第旋光片14-3用于将从反向经过的光信号偏振态旋转90°,而正向经过的光信号偏振态不变。
实施例一具体工作过程包括为:
第一信号光分量到达第一偏振分束旋转器2之前,偏振态变为
首先依次经过半波片14-2、法拉第旋光片14-3偏振不变,随后从第二分束
器4的一个输入端口进入由第二分束器4、第三分束器5、第一延迟光波导6和第一移相器7构
成的第一延迟干涉仪,在第三分束器5处进行自干涉,产生第一干涉分量和第二干涉分量,
分别从第三分束器5的两个输入端口出射,由于第一移相器7使第一延迟干涉仪长短臂的相
位差为0,二者可分别写为
其中,τ为第一延迟干涉仪长短臂的臂长差对应的延迟。
依次经过半波片14-2、法拉第旋光片14-3偏振不变,反方向从第三分束器
5进入第一延迟干涉仪,在第二分束器4处进行自干涉,由第一移相器7保证第一延迟干涉仪
长短臂的相位差为0,产生第三干涉分量和第四干涉分量,分别从第二分束器4的两个输入
端口出射,二者可分别写为
第一干涉分量和第三干涉分量均依次经过法拉第旋光片14-3、半波片14-2后偏振态旋转90°,同时进入第一偏振分束旋转器2进行偏振合束,产生第一干涉光信号,从第一偏振分束旋转器2的另一个输入端口出射并从集成光芯片输出,其偏振态可写为
第二干涉分量和第四干涉分量同时进入第二偏振分束旋转器8进行偏振合束,产生第二干涉光信号,从第二偏振分束旋转器8的输出端口出射并从集成光芯片输出,其偏振态可写为
使用平衡探测器对第一干涉光信号和第二干涉光信号进行平衡探测,得到的差分电流即为信号光的同相分量,即
其中,R为光电探测器的响应效率,ω为信号光的角频率。
其中,τ为第二偏振无关延迟干涉仪5长短臂的臂长差对应的延迟。
第三干涉光信号和第四干涉光信号分别从第二偏振分束旋转器3的另一个输入端口和第四偏振分束旋转器13的输出端口出射并从集成光芯片输出,通过平衡探测器进行平衡探测得到信号光的正交相位分量,即
最后,将同相分量和正交相位分量的电信号合成一个复信号,可以写为
将上述复信号进行采样和数字信号处理,即可恢复出信号光的电场信息,得到业务数据。
如图3所示,本发明基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片实施例二:
所述基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片的结构为:所述第一偏振分束旋转器2还包括另一个输入端口,用于输出第一干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器3还包括另一个输入端口,用于输出第三干涉光信号;
所述基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片还包含有偏振旋转模块,所述偏振旋转模块包括第一偏振旋转光波导14-4、第二偏振旋转光波导14-5、第三偏振旋转光波导14-6和第四偏振旋转光波导14-7,
所述第一偏振旋转光波导14-4、第二偏振旋转光波导14-5、第三偏振旋转光波导14-6和第四偏振旋转光波导14-7均由依次相连的半波片光波导和法拉第旋光波导构成;所述半波片光波导的主轴方向与水平方向夹角为22.5°,所述法拉第旋光波导的偏振旋转角度为45°;
所述第一偏振旋转光波导(14-4)用于使第三干涉分量的偏振态旋转90°,使第一偏振分量偏振态不变,
所述第二偏振旋转光波导(14-5)用于使第一干涉分量的偏振态旋转90°,使第二偏振分量偏振态不变,
所述第三偏振旋转光波导(14-6)用于使第七干涉分量的偏振态旋转90°,使第三偏振分量偏振态不变,
所述第四偏振旋转光波导(14-7)用于使第五干涉分量的偏振态旋转90°,使第四偏振分量偏振态不变。
实施例二具体工作过程包括为:
第一信号光分量到达第一偏振分束旋转器2之前,偏振态变为
首先经过第一偏振旋转光波导14-4偏振不变,随后从第二分束器4的一个
输入端口进入由第二分束器4、第三分束器5、第一延迟光波导6和第一移相器7构成的第一
延迟干涉仪,在第三分束器5处进行自干涉,产生第一干涉分量和第二干涉分量,分别从第
三分束器5的两个输入端口出射,由于第一移相器7使第一延迟干涉仪长短臂的相位差为0,
二者可分别写为
其中,τ为第一延迟干涉仪长短臂的臂长差对应的延迟。
经过第二偏振旋转光波导14-5偏振不变,反方向从第三分束器5进入第一
延迟干涉仪,在第二分束器4处进行自干涉,由第一移相器7保证第一延迟干涉仪长短臂的
相位差为0,产生第三干涉分量和第四干涉分量,分别从第二分束器4的两个输入端口出射,
二者可分别写为
第一干涉分量和第三干涉分量分别对应地反方向经过第一偏振旋转光波导14-4和第二偏振旋转光波导14-5后偏振态旋转90°,同时进入第一偏振分束旋转器2进行偏振合束,产生第一干涉光信号,从第一偏振分束旋转器2的另一个输入端口出射并从集成光芯片输出,其偏振态可写为
第二干涉分量和第四干涉分量同时进入第二偏振分束旋转器8进行偏振合束,产生第二干涉光信号,从第二偏振分束旋转器8的输出端口出射并从集成光芯片输出,其偏振态可写为
使用平衡探测器对第一干涉光信号和第二干涉光信号进行平衡探测,得到的差分电流即为信号光的同相分量,即
其中,R为光电探测器的响应效率,ω为信号光的角频率。
其中,τ为第二偏振无关延迟干涉仪5长短臂的臂长差对应的延迟。
第三干涉光信号和第四干涉光信号分别从第二偏振分束旋转器3的另一个输入端口和第四偏振分束旋转器13的输出端口出射并从集成光芯片输出,通过平衡探测器进行平衡探测得到信号光的正交相位分量,即
最后,将同相分量和正交相位分量的电信号合成一个复信号,可以写为
将上述复信号进行采样和数字信号处理,即可恢复出信号光的电场信息,得到业务数据。
如图4所示,本发明基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片实施例三:
所述基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片的结构为:所述第一偏振分束旋转器2还包括另一个输入端口,用于输出第一干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器3还包括另一个输入端口,用于输出第三干涉光信号;
所述基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片还包含有偏振旋转模块,所述第一延时光波导6包含第一子延时光波导6-1和第二子延时光波导6-2;所述第一移相器7包含第一子移相器7-1和第二子移相器7-2;
所述第二延时光波导11包含第三子延时光波导11-1和第四子延时光波导11-2;所述第二移相器12包含第三子移相器12-1和第四子移相器12-2;
所述偏振旋转模块包括第一90°偏振旋转结构14-8、第二90°偏振旋转结构14-9、第三90°偏振旋转结构14-10和第四90°偏振旋转结构14-11,分别用于将正反向经过的光信号进行90°偏振旋转;
所述第一90°偏振旋转结构14-8位于第一子延时光波导6-1和第二子延时光波导6-2中间;所述第二90°偏振旋转结构14-9位于第一子移相器7-1和第二子移相器7-2中间;
所述第三90°偏振旋转结构14-10位于第三子延时光波导11-1和第四子延时光波导11-2中间;所述第四90°偏振旋转结构14-11位于第三子移相器12-1和第四子移相器12-2中间。
实施例三具体工作过程包括为:
第一信号光分量到达第一偏振分束旋转器2之前,偏振态变为
为TE偏振,从第二分束器4的一个输入端口进入第一延迟干涉仪,在第三分
束器5处进行自干涉。由于在第一子延时光波导6-1和第二子延时光波导6-2中间增加第一
90°偏振旋转结构14-8,并在第一子移相器7-1和第二子移相器7-2中间增加第二90°偏振旋
转结构14-9,第一延迟干涉仪长短臂上的信号光分量分别经过第一90°偏振旋转结构14-8
和第二90°偏振旋转结构14-9后变为TM偏振态,产生TM偏振的第一干涉分量和第二干涉分
量,分别从第三分束器5的两个输入端口出射,第一子移相器7-1和第二子移相器7-2共同作
用使第一延迟干涉仪长短臂的相位差为0,二者可分别写为
其中,τ为第一延迟干涉仪长短臂的臂长差对应的延迟。
也为TE偏振,反方向从第三分束器5进入第一延迟干涉仪,第一延迟干涉
仪长短臂上的信号光分量分别经过第一90°偏振旋转结构14-8和第二90°偏振旋转结构14-
9后变为TM偏振态,在第二分束器4处进行自干涉后,产生TM偏振的第一干涉分量和第二干
涉分量,分别从第三分束器5的两个输入端口出射,第一子移相器7-1和第二子移相器7-2共
同作用使第一延迟干涉仪长短臂的相位差为0,产生TM偏振的第三干涉分量和第四干涉分
量,分别从第二分束器4的两个输入端口出射,二者可分别写为
第一干涉分量和第三干涉分量均为TM偏振,二者同时进入第一偏振分束旋转器2进行偏振合束,产生第一干涉光信号,从第一偏振分束旋转器2的另一个输入端口出射并从集成光芯片输出,其偏振态可写为
第二干涉分量和第四干涉分量同时进入第二偏振分束旋转器8进行偏振合束,产生第二干涉光信号,从第二偏振分束旋转器8的输出端口出射并从集成光芯片输出,其偏振态可写为
使用平衡探测器对第一干涉光信号和第二干涉光信号进行平衡探测,得到的差分电流即为信号光的同相分量,即
其中,R为光电探测器的响应效率,ω为信号光的角频率。
第二信号光分量进入第二偏振分束旋转器3被偏振分束,经过与第一信号光分量
类似的偏振无关延迟自干涉后,产生第三干涉光信号和第四干涉光信号
,由第三子移相器12-1和第四子移相器12-2共同作用保证长短臂的相位差为π/2,二者可分
别写为
其中,τ为第二偏振无关延迟干涉仪5长短臂的臂长差对应的延迟。
第三干涉光信号和第四干涉光信号分别从第二偏振分束旋转器3的另一个输入端口和第四偏振分束旋转器13的输出端口出射并从集成光芯片输出,通过平衡探测器进行平衡探测得到信号光的正交相位分量,即
最后,将同相分量和正交相位分量的电信号合成一个复信号,可以写为
将上述复信号进行采样和数字信号处理,即可恢复出信号光的电场信息,得到业务数据。
综合本发明各个实施例可知,本发明提出一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,通过使用偏振分束旋转器将输入信号光的两个正交偏振分量分束后,分别从相反的方向经过双向复用延迟干涉仪进行自干涉,并将两个偏振分量的干涉结果进行偏振合束后输出,可实现偏振无关的稳定自相干接收,无需主动偏振控制,消除信号光偏振态随机变化对接收机的影响,提升了接收装置的稳定性。另外,由于信号光在偏振分束后以相同的偏振态进入干涉仪,不存在偏振相关频移。并且接收装置只需要1对延迟干涉仪和2对平衡探测器,降低了接收探测后电子学信号处理的难度和复杂度,因此可以大大降低接收端的体积和复杂度。同时,本发明不仅可以应用到光通信系统中,还可以应用到连续变量量子密钥分发系统和传感系统中,具有较高的通用性和实用性。
Claims (4)
1.一种基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,其特征在于,包括集成在同一衬底上的第一分束器(1)、第一偏振分束旋转器(2)、第二偏振分束旋转器(3)、第二分束器(4)、第三分束器(5)、第一延时光波导(6)、第一移相器(7)、第三偏振分束旋转器(8)、第四分束器(9)、第五分束器(10)、第二延时光波导(11)、第二移相器(12)和第四偏振分束旋转器(13),
所述第一分束器(1)用于对输入的信号光进行分束,产生第一信号光分量和第二信号光分量;
所述第一偏振分束旋转器(2)用于将入射至其输入端口的第一信号光分量进行偏振分束,产生第一偏振分量和第二偏振分量;
所述第二分束器(4)的两个输出端口和第三分束器(5)的两个输出端口分别通过光波导相连,并在其中一路光波导设置有第一延时光波导(6),在另一路光波导设置有第一移相器(7),构成第一延迟干涉仪;
所述第一延迟干涉仪用于将入射至第二分束器(4)一个输入端口的第一偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第三分束器(5)两个输入端口出射的第一干涉分量和第二干涉分量;以及用于将入射至第三分束器(5)一个输入端口的第二偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第二分束器(4)两个输入端口出射的第三干涉分量和第四干涉分量;
所述第一移相器(7)用于使第一延迟干涉仪长短臂的相位差为0;
所述第一偏振分束旋转器(2)还用于将第一干涉分量和第三干涉分量进行偏振合束,产生第一干涉光信号;所述第三偏振分束旋转器(8)用于将第二干涉分量和第四干涉分量进行偏振合束,产生第二干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器(3)用于将入射至其输入端口的第二信号光分量进行偏振分束,产生第三偏振分量和第四偏振分量;
所述第四分束器(9)的两个输出端口和第五分束器(10)的两个输出端口分别通过光波导相连,并在其中一路光波导设置有第二延时光波导(11),在另一路光波导设置有第二移相器(12),构成第二延迟干涉仪;
所述第二延迟干涉仪用于将入射至第四分束器(9)一个输入端口的第三偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第五分束器(10)两个输入端口出射的第五干涉分量和第六干涉分量;以及用于将入射至第五分束器(10)一个输入端口的第四偏振分量进行延迟自干涉,产生分别从第四分束器(9)两个输入端口出射的第七干涉分量和第八干涉分量;
所述第二移相器(12)用于使第二延迟干涉仪长短臂的相位差为π/2;
所述第二偏振分束旋转器(3)还用于将第五干涉分量和第七干涉分量进行偏振合束,产生第三干涉光信号;所述第四偏振分束旋转器(13)用于将第六干涉分量和第八干涉分量进行偏振合束,产生第四干涉光信号,
所述集成光芯片还包括偏振旋转模块,所述偏振旋转模块用于使第三干涉分量与第一偏振分量的偏振态垂直、第一干涉分量与第二偏振分量的偏振态垂直、第七干涉分量与第三偏振分量的偏振态垂直以及第五干涉分量与第四偏振分量的偏振态垂直,
所述第一偏振分束旋转器(2)还包括另一个输入端口,用于输出第一干涉光信号;
所述第二偏振分束旋转器(3)还包括另一个输入端口,用于输出第三干涉光信号。
2.如权利要求1所述的基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,其特征在于,所述偏振旋转模块包括刻槽(14-1)、半波片(14-2)和法拉第旋光片(14-3),
所述刻槽(14-1)横向贯穿连接第一偏振分束旋转器(2)一个输出端口与第二分束器(4)一个输入端口的第一光波导、连接第一偏振分束旋转器(2)另一个输出端口与第三分束器(5)一个输入端口的第二光波导、连接第二偏振分束旋转器(3)一个输出端口与第四分束器(9)一个输入端口的第三光波导以及连接第二偏振分束旋转器(3)另一个输出端口与第五分束器(10)一个输入端口的第四光波导;
所述半波片(14-2)和法拉第旋光片(14-3)对齐并紧密贴合,置于刻槽(14-1)内;
所述半波片(14-2)的主轴方向与水平方向夹角为22.5°,所述法拉第旋光片(14-3)的偏振旋转角度为45°,
依次相连的半波片(14-2)和法拉第旋光片(14-3)用于将从反向经过的光信号偏振态旋转90°,而正向经过的光信号偏振态不变。
3.如权利要求1所述的基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,其特征在于,所述偏振旋转模块包括均由依次相连的半波片光波导和法拉第旋光波导构成的第一偏振旋转光波导(14-4)、第二偏振旋转光波导(14-5)、第三偏振旋转光波导(14-6)和第四偏振旋转光波导(14-7);所述半波片光波导的主轴方向与水平方向夹角为22.5°,所述法拉第旋光波导的偏振旋转角度为45°;
所述第一偏振旋转光波导(14-4)用于使第三干涉分量的偏振态旋转90°,使第一偏振分量偏振态不变,
所述第二偏振旋转光波导(14-5)用于使第一干涉分量的偏振态旋转90°,使第二偏振分量偏振态不变,
所述第三偏振旋转光波导(14-6)用于使第七干涉分量的偏振态旋转90°,使第三偏振分量偏振态不变,
所述第四偏振旋转光波导(14-7)用于使第五干涉分量的偏振态旋转90°,使第四偏振分量偏振态不变。
4.如权利要求1所述的基于双向复用延迟干涉仪的集成自相干接收光芯片,其特征在于,所述第一延时光波导(6)包含第一子延时光波导(6-1)和第二子延时光波导(6-2);所述第一移相器(7)包含第一子移相器(7-1)和第二子移相器(7-2);
所述第二延时光波导(11)包含第三子延时光波导(11-1)和第四子延时光波导(11-2);所述第二移相器(12)包含第三子移相器(12-1)和第四子移相器(12-2);
所述偏振旋转模块包括第一90°偏振旋转结构(14-8)、第二90°偏振旋转结构(14-9)、第三90°偏振旋转结构(14-10)和第四90°偏振旋转结构(14-11),分别用于将正反向经过的光信号进行90°偏振旋转;
所述第一90°偏振旋转结构(14-8)位于第一子延时光波导(6-1)和第二子延时光波导(6-2)中间;所述第二90°偏振旋转结构(14-9)位于第一子移相器(7-1)和第二子移相器(7-2)中间;
所述第三90°偏振旋转结构(14-10)位于第三子延时光波导(11-1)和第四子延时光波导(11-2)中间;所述第四90°偏振旋转结构(14-11)位于第三子移相器(12-1)和第四子移相器(12-2)中间。
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