可调相干探测器结构

摘要

本发明公开了一种可调相干探测器结构，其包括有连接于2×4多模相干耦合器的两根输入波导、用以解调出两对同步信号的一个2×4多模相干耦合器、用以造成局部折射率变化的一个可调电极、用以将同步信号转变为正交信号的一个2×2多模相干耦合器、四根输出波导和两对平衡探测器；该2×4多模相干耦合器的输出端与2×2多模相干耦合器的输入端直接相连，该可调电极位于两多模相干耦合器连接处的上方；两根输出波导连接于2×4多模相干耦合器的输出端，另外两根输出波导连接于2×2多模相干耦合器的输出端；该两对平衡探测器与四根输出波导对准。本发明的可调相干探测器结构可以无交叉地实现信号解调，且具有更大的容差和工作带宽。

权利要求

1.一种可调相干探测器结构，其特征在于，其包括有两根输入波导、用以解调出两对同步信号的一个2×4多模相干耦合器、用以造成局部折射率变化的一个可调电极、用以将同步信号转变为正交信号的一个2×2多模相干耦合器、四根输出波导和两对平衡探测器；其中，该2×4多模相干耦合器的输出端与2×2多模相干耦合器的输入端直接相连，该可调电极位于2×4多模相干耦合器与2×2多模相干耦合器连接处的上方；该两根输入波导连接于该2×4多模相干耦合器的输入端，并相对于该输入端中间处对称地分布；其中两根输出波导连接于2×4多模相干耦合器的输出端，另外两根输出波导连接于2×2多模相干耦合器的输出端；该两对平衡探测器与四根输出波导对准；

连接于所述2×4多模相干耦合器的两根输出波导与另外两根输出波导长度不一致，用以调节输出光信号的光程，使光信号同时到达两对平衡探测器。

2.如权利要求1所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述2×4多模相干耦合器基于成对干涉，该两根输入波导分别距离所述2×4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/3处。

3.如权利要求1所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述2×4多模相干耦合器基于一般干涉，该两根输入波导分别距离所述2×4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/4或1/8处。

4.如权利要求1所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述可调电极的宽度为所述

2×4多模相干耦合器宽度的1/4。

5.如权利要求4所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述可调电极为热电极，所述可调电极位于所述2×4多模相干耦合器的边缘。

6.如权利要求4所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述可调电极为注入式电极，所述可调电极位于所述2×4多模相干耦合器的中间。

7.如权利要求1所述的可调相干探测器结构，其特征在于，所述2×2多模相干耦合器是基于成对干涉或一般干涉。

说明书

可调相干探测器结构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种通信用光电子器件，特别是涉及一种无交叉地实现信号解调、具有更大的容差和工作带宽的可调相干探测器结构。

背景技术

[0002] 近年来，100Gbit/s的相干光纤通信系统被广泛研究，集成相干接收机是高速相干通信系统的关键器件之一，它包含了偏振分束器、90度光混合器、平衡探测器及跨阻放大器等基本组件。在这些组件中，90度光混合器按实现形式可分为自由空间型、光纤型和波导型三大类。其中自由空间型和光纤型已有商用化的分离器件，但这些分离器件体积都太大，不适合与平衡探测器等其它组件集成。波导型的光混合器可以在二氧化硅、磷化铟、铌酸锂和聚合物等多种材料上实现，具有体积小、成本低、适合集成等优点，目前正被大量研究。

[0003] 在波导上实现90度光混合器的结构主要有两种，一种结构如图1所示，它是由四个3dB耦合器组成的光子网络，中间由单模波导连接，其中一个支路上有一个90度相移器。当信号光进入到其中一个输入端口后，经过两次分束，在输出端口变成四路强度相同的信号光，由于这四路光走过的路径不同，所以在输出端口具有不同的相位。同理，本振光进入到另一个输入端口后，也将被分成四路，在输出端口具有相同的强度和不同的相位。这四路本振光和信号光相干，在输出端口会表现出不同的强度分布，即将相位信息转换为强度信息，最后通过平衡探测器进行光电转换，得到解调后的电信号。

[0004] 另一种结构如图2所示，由一个4×4多模相干耦合器和输入输出波导构成。它的工作原理是多模波导的自成像效应，当光进入到任意一个输入端口时，会在输出端口成四个强度相等但相位不同的像。如果信号光和本振光非对称地输入到4×4多模相干耦合器，在输出端将得到解调后的光信号，最后再经平衡探测器转换为电信号。

[0005] 这两种结构有一个共同的缺点，即信号都需要交叉，而交叉会带来串扰和损耗，需要在交叉处进行特别的工艺处理。在2010年，日本的富士通提出了一种如图3所示的90度光混合器新结构。它由一个2×4多模相干耦合器和一个2×2耦合器组成，中间由两根单模波导连接。其中一根为普通波导，另一根为蝶形波导，以形成一定的相位差。这种结构能避免交叉，方便与平衡探测器集成。但也存在如下缺点：

[0006] 1．蝶形波导所引入的相位只能保证对某一个波长非常精确，对其它波长的会有偏差，而90度光混合器本身是一个宽带器件，因此蝶形波导会限制其工作带宽。

[0007] 2．蝶形波导本身会引入一定的损耗。

[0008] 3．蝶形波导比多模相干耦合器的制作容差更小，对工艺要求非常高，不适合大批量生产。

[0009] 因此如何避免使用蝶形波导，而又能同时实现无交叉的信号解调，为本发明亟待解决的问题。

发明内容

[0010] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可以无交叉地实现信号解调，且具有更大的容差和工作带宽的可调相干探测器结构。

[0011] 为达到上述目的，本发明提供一种可调相干探测器结构，其包括有两根输入波导、用以解调出两对同步信号的一个2×4多模相干耦合器、用以造成局部折射率变化的一个可调电极、用以将同步信号转变为正交信号的一个2×2多模相干耦合器、四根输出波导和两对平衡探测器；其中，该2×4多模相干耦合器的输出端与2×2多模相干耦合器的输入端直接相连，该可调电极位于2×4多模相干耦合器与2×2多模相干耦合器连接处的上方；该两根输入波导连接于该2×4多模相干耦合器的输入端，并相对于该输入端中间处对称地分布；其中两根输出波导连接于2×4多模相干耦合器的输出端，另外两根输出波导连接于2×2多模相干耦合器的输出端；该两对平衡探测器与四根输出波导对准。

[0012] 所述2×4多模相干耦合器基于成对干涉，该两根输入波导分别距离所述2×4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/3处。

[0013] 所述2×4多模相干耦合器基于一般干涉，该两根输入波导分别距离所述2×4多模相干耦合器的输入端的两个缘边1/4或1/8处。

[0014] 所述可调电极的宽度为所述2×4多模相干耦合器宽度的1/4。

[0015] 所述可调电极为热电极，所述可调电极位于所述2×4多模相干耦合器的边缘。

[0016] 所述可调电极为注入式电极，所述可调电极位于所述2×4多模相干耦合器的中间。

[0017] 所述2×2多模相干耦合器是基于成对干涉或一般干涉。

[0018] 连接于所述2×4多模相干耦合器的两根输出波导与另外两根输出波导长度不一致，用以调节输出光信号的光程，使光信号同时到达两对平衡探测器。

[0019] 本发明的可调相干探测器结构可达到如下技术效果：

[0020] 1．本发明引入了一个可调电极，与蝶形波导的方式相比，可以在更宽的范围内达到最好的输出效果；

[0021] 2．本发明采用2×4和2×2多模相干耦合器直接级联的方式，中间无蝶形波导，既减小了损耗，又缩短了器件的尺寸；

[0022] 3．电极的制作工艺成熟，制作容差更大。

附图说明

[0023] 图1是现有技术中由3dB耦合器组成的90度光混合器示意图；

[0024] 图2是现有技术中由4×4多模相干耦合器实现的90度光混合器示意图；

[0025] 图3是现有技术中无交叉90度光混合器示意图；

[0026] 图4是本发明可调相干探测器结构的结构示意图；

[0027] 图5是本发明中当只有一个端口由光输入时，输出光电流随电极电流的变化关系图；

[0028] 图6是本发明中当信号光与本振光同时输入时，输出光电流随信号相位变化情况；

[0029] 图7是本发明中当输入信号光的相位分别为-π/2，0，π/2和π时，本发明中的光场分布情况。

具体实施方式

[0030] 为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现结合附图并举较佳实施例详细说明如下。

[0031] 如图4所示，本发明可调相干探测器结构包括有两根输入波导1、一个2×4多模相干耦合器2、一个可调电极3、一个2×2多模相干耦合器4、四根输出波导5和两对平衡探测器6。上述各元件的位置关系是：该2×4多模相干耦合器2的输出端与2×2多模相干耦合器4输入端直接相连，可调电极3位于2×4多模相干耦合器2与2×2多模相干耦合器4连接处的上方；所述的两根输入波导1连接于2×4多模相干耦合器2的输入端，并相对于该输入端中间处对称地分布；所述输出波导5中的两根连接于2×4多模相干耦合器2的输出端，另外两根输出波导5连接于2×2多模相干耦合器4的输出端；所述两对平衡探测器6与四根输出波导5对准。

[0032] 本发明中的输入波导1为单模波导，2×4多模相干耦合器2的工作原理为成对干涉或一般干涉，其作用是解调出两对I（包括I+与I-）信号（同步信号（in-phase signal））。当2×4多模相干耦合器2基于成对干涉时，两根输入波导1分别距离2×4多模相干耦合器2的输入端的两个缘边1/3处；当2×4多模相干耦合器2基于一般干涉时，两根输入波导1分别距离2×4多模相干耦合器2的输入端的两个缘边1/4或1/8处。本发明中的可调电极3的宽度为2×4多模相干耦合器2宽度的1/4，该可调电极3的种类可为热电极或电注入式电极，其作用是造成局部折射率变化，当可调电极3为热电极时，其位置位于2×4多模相干耦合器2的边缘；当可调电极3为注入式电极时，其位置位于2×4多模相干耦合器2的中间。

[0033] 本发明中的2×2多模相干耦合器4的工作原理为成对干涉或一般干涉，其作用是使输入到2×2多模相干耦合器4中的I信号相位发生偏转，变为Q（包括Q+与Q-）信号（正交信号（quadratue））。所述输出波导5为四根单模波导，其连接2×4多模相干耦合器2的两根与另外两根长度不一致，其作用是调节输出光信号的光程，使光信号同时到达两对平衡探测器6。

[0034] 在本发明实施实例中，以2×4多模相干耦合器2和2×2多模相干耦合器4都是基于成对干涉，可调电极3为热电极为例，假设信号光和本振光具有相同的偏振态，进入到输入波导1后的光场可分别表示为：

[0035]

[0036] PS、wS、fS和PL、wL、fL 分别为信号光和本振光的功率，角频率和相位。

[0037] 2×4多模相干耦合器2、2×2多模相干耦合器4和可调电极3可分别用传输矩阵表示为：

[0038]

[0039] 其中k24和k22为2×4多模相干耦合器2、2×2多模相干耦合器4的分光系数，q=2paILH/ 为热电极引入的相位，I为电极中的电流，LH为电极的长度，a为折射率随温度变化相关的常数。

[0040] 假设2×4多模相干耦合器2和2×2多模相干耦合器4均具有理想的分光比，且耦合器无附件损耗，探测器的响应度为R，则四个探测器输出的光电流为：

[0041]

[0042] 其中j=q+3p/4，Dw=wS-wL，Df(t)=fS(t)-fL(t)。

[0043] 可以看出式（6）、式（7）表示一对I信号，式（8）、式（9）表示一对Q信号。比较I和Q信号，式（8）、式（9）式多一个因子j。若sinj=1，式（8）、式（9）将退化成与式（6）、式（7）类似的形式，此时光混合器处于最佳工作状态。若sinj不等于1，Q响应会偏离理想值。因此可调电极3的作用就是调节相移q，使光混合器工作在最佳工作状态。

[0044] 当只有一个输入端口有光时，光混合器的作用相当于一个分束器。图5为输出光电流随电极电流的变化关系图，虚线为式（6）--（9）理论计算结果，实线为仿真结果，二者符合较好。当可调电极3不工作时，Q信号的两个输出端口存在很大的不平衡，随着电极电流的增加，不平衡度逐渐减小。当Q信号的两个输出端口光电流相等时，即达到最佳工作电流。若电极电流继续增加，不平衡度会再次增加。

[0045] 当信号光和本振光同时输入时，即可将信号光中的相位信息转换成光电流的强度信息。图6为输出光电流随信号相位变化情况，虚线为理论计算结果，实线为仿真结果，两者基本重合。图7是当输入信号光的相位分别为-π/2，0，π/2和π时，本发明中的光场分布情况。从以上两图可以看出，在当可调电极3工作在最佳状态时，本发明能正常，高效地工作。

[0046] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。