CN103412367B - 一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***。集成光波导芯片的片上偏振不依赖***包括偏振转换模块、分路/合路器、光功能模块和相位调制模块。通过偏振转换模块将TM0模转换为TE1模，进而通过分路器将TE1模分为两路TE0模，从而实现集成光芯片对光信号处理的偏振不依赖。本发明不依赖于基于定向耦合器的模式分离结构，避免了耦合结构由于工艺误差而产生的较大的器件特性的变化，具有较好的工艺容差。整个***结构简单，具有较强的稳定性和可靠性，利于集成化和实用化，可广泛应用与光模式复用通信***中。
Description
技术领域
本发明涉及光波导器件，具体涉及一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***。
背景技术
随着科技的迅速发展，通信领域的信息传输容量日益增大，人们对带宽的要求越来越高，高速率大容量光通信***是必然趋势，光网络如何能高效、高速地传递信息成为了人们研究焦点之一。波分复用(Wavelength Division Multiplexing)技术可以在同一根光纤上同时传输多个波长信道，大大提高了光纤通信的频谱利用率。然而在现有的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing密集波分复用)***中，波长信道的利用率已经发展趋近极限，通过增加波长信道扩容比较困难。
为了进一步提高光纤传输容量，利用模式复用技术，提高单波长信道容量可以满足这一要求。在一个光波长信道中利用两个正交的偏振光模式携带不同的信号传输，每个波长携带的信号翻倍，信道复用度扩展为原来的两倍，增加了传输容量和频谱利用率。但由于***中各种光功能器件对于不同偏振模式的光信号具有不同的工作特性，即偏振依赖性，而从实际应用和产品化的角度来考虑，在一套光路***中设计两组分别针对不同偏振模式的功能器件是不现实的，所以如何解决偏振依赖性，使光功能器件只工作在一个模式下成为模式复用技术中的关键技术。
在现有的偏振依赖解决方案中，基本都是基于定向耦合器或多模干涉器的模式分离结构，将正交的TE模和TM模分离到不同的光路上，再将其中某一偏振模式通过模式转换结构转换成另一种。然而模式分离结构需要较高的制作工艺的精度，稳定性和可靠性较低，不利于在***中的实用化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***。通过模式转换器将光波导中传输的TM0模转换为TE1模，再通过分路器将TE1模分束为TE0模，信号在光路中只以一种偏振模式传输，经过功能器件处理后再通过相对称的过程将TE0模转换为TM0模传输，从而实现了***的偏振不依赖。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一、一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***：
本发明包括正向偏振转换模块、Y型波导分路器、两个光功能模块、两个相位调制模块、Y型波导合路器和反向偏振转换模块。
存在正交的TE0模和TM0模两种模式的光输入到正向偏振转换模块，正向偏振转换模块将输入光中的TM0模转换为TE1模同时保持原有TE0模不变；进而TE0模和TE1模从正向偏振转换模块输入Y型波导分路器，Y型波导分路器将TE1模分成振幅对称，相位相反的两路+TE0/2模和﹣TE0/2模，同时将原有的TE0模分为完全对称两路+TE0/2模，则光被分成分别含有由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为+TE0/2模和由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为﹣TE0/2模的两路光；Y型波导分路器输出的两路光分别输入完全相同的光功能模块进行信号处理；进而两路光分别输入相位调制模块使两路光的相位变化相同后分别输出到Y型波导合路器，在Y型波导合路器中两路同相的由TE0转化为的+ TE0/2模合为TE0模，两路反相的由TE1转化为的+TE0/2模和﹣TE0/2模合为TE1模，则两路光重新合成一路TE0模和TE1模；进而Y型波导合路器输出的TE0模和TE1模输入反向偏振转换模块，将TE1模转换为模TM0模同时保持新合成的TE0模不变，最后输出的是经过光功能模块偏振不依赖的光处理的正交的TE0模和TM0模的光。
二、另一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***：
本发明包括正向偏振转换模块、Y型波导分路器、两个光功能模块、两个相位调制模块、Y型波导合路器和反向偏振转换模块；其特征在于：
存在正交的TE0模和TM0模两种模式的光输入到正向偏振转换模块，正向偏振转换模块将输入光中的TM0模转换为TE1模同时保持原有TE0模不变；进而TE0模和TE1模从正向偏振转换模块输入Y型波导分路器，Y型波导分路器将TE1模分成振幅对称，相位相反的两路+TE0/2模和﹣TE0/2模，同时将原有的TE0模分为完全对称两路+TE0/2模，则光被分成分别含有由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为+TE0/2模和TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为﹣TE0/2模的两路光；Y型波导分路器输出的两路光分别输入完全相同的光功能模块进行信号处理；进而两路光分别输入相位调制模块使两路光的相位变化相差为π后分别输出到Y型波导合路器，在Y型波导合路器中两路同相的由TE1转化为的+ TE0/2模合为TE0模，两路反相的由TE0转化为的+TE0/2模和﹣TE0/2模合为TE1模，则两路光重新合成一路TE0模和TE1模；进而Y型波导合路器)输出的TE0模和TE1模输入反向偏振转换模块，将TE1模转换为模TM0模同时保持新合成的TE0模不变，最后输出的是经过光功能模块偏振不依赖的光处理的正交的TE0模和TM0模的光。
所述的正向偏振转换模块和反向偏振转换模块结构相同，在***中输入输出方向相反；Y型波导分路器和Y型波导合路器结构相同，均为相同的对称Y型波导结构，在***中输入输出方向相反。
所述的正向偏振转换模块为波导宽度线性过渡变宽的锥形波导结构，所述的反向偏振转换模块为正向偏振转换模块的反向结构；
所述的光功能模块为调制器、滤波器、开关或复用/解复用光功能器件。
所述的相位调制模块为在单模波导延迟线上覆有金属热电极。
与背景技术的偏振依赖解决方案相比，本发明具有的有益效果是：
采用波导宽度线性变化的锥形波导和对称Y型波导分路器将TM偏振的模式转换并分离成两路TE偏振的模式，实现光路的偏振不依赖。它不依赖于基于定向耦合器的模式分离结构，避免了耦合结构由于工艺误差而产生的较大的器件特性的变化，具有较好的工艺容差。整个***结构简单，具有较强的稳定性和可靠性，利于集成化和实用化，可广泛应用与光模式复用通信***中。
附图说明
图1是本发明的对称光路连接结构原理示意框图。
图2是本发明的反对称光路连接结构原理示意框图。
图3是本发明中两种偏振转换模块为波导宽度线性过渡变化的锥形波导结构原理示意图。
图4是本发明中Y型波导分路器和Y型波导合路器的结构原理示意图。
图5是本发明中相位调制模块的结构原理示意图。
图6是本发明中光功能模块为基于微环谐振腔结构的波导器件，通过所述的一系列片上集成光波导结构解决偏振依赖的***结构原理示意图。
图中：1、正向偏振转换模块，2、Y型波导分路器，3、光功能模块，4、相位调制模块，5、Y型波导合路器，6、反向偏振转换模块，101、波导宽度线性过渡变化的锥形波导，102、TE0模式分布示意，103、TM0模式分布示意，104、TE1模式分布示意，201、Y型波导，202、多模波导TE0模式分布示意, 203、多模波导TE1模式分布示意，204、由TE0模分成的对称TE0模式分量, 205、由TE1模分成的反对称TE0模式分量，301、微环波导谐振腔，302、与微环谐振腔耦合的直波导，401、单模波导延迟线，402、金属热电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括正向偏振转换模块1、Y型波导分路器2、两个光功能模块3、两个相位调制模块4、Y型波导合路器5和反向偏振转换模块6；其特征在于：
存在正交的TE0模和TM0模两种模式的光输入到正向偏振转换模块1，正向偏振转换模块1将输入光中的TM0模转换为TE1模同时保持原有TE0模不变；进而TE0模和TE1模从正向偏振转换模块1输入Y型波导分路器2，Y型波导分路器2将TE1模分成振幅对称，相位相反的两路+TE0/2模和﹣TE0/2模，同时将原有的TE0模分为完全对称两路+TE0/2模，则光被分成分别含有由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为+TE0/2模和由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为﹣TE0/2模的两路光；Y型波导分路器2输出的两路光分别输入完全相同的光功能模块3进行信号处理；进而两路光分别输入相位调制模块4使两路光的相位变化相同后分别输出到Y型波导合路器5，在Y型波导合路器5中两路同相的由TE0转化为的+ TE0/2模合为TE0模，两路反相的由TE1转化为的+TE0/2模和﹣TE0/2模合为TE1模，则两路光重新合成一路TE0模和TE1模；进而Y型波导合路器5输出的TE0模和TE1模输入反向偏振转换模块6，将TE1模转换为TM0模同时保持新合成的TE0模不变，最后输出的是经过光功能模块偏振不依赖的光处理的正交的TE0模和TM0模的光。方案实现了用统一对称的光路处理不同偏振模式的光信号，解决了光信号传输处理的偏振依赖问题。
所述的经过完全相同的光功能模块3信号处理后的两路光（模式组成分别为+TE0/2(TE0)、+TE0/2(TE1)和+TE0/2(TE0)、﹣TE0/2(TE1)）输入相位调制模块4，调节使两路相位差保持不变，则由TE1模分束的两路相位相反的+TE0/2模和﹣TE0/2模仍为反相，同时由TE0模分束的两路对称的+TE0/2模仍为同相（模式组成不变仍为+TE0/2(TE0)、+TE0/2(TE1)和+TE0/2(TE0)、﹣TE0/2(TE1)）；进而经过所述的合路器5，两路同相的+TE0/2(TE0)和+TE0/2(TE0)重新合为TE0模，两路反相的+TE0/2(TE1)和﹣TE0/2(TE1)重新合为TE1模；经过所述的反向偏振转换模块6，TE1模转换为TM0模同时保持TE0模不变。则经过本方案进行偏振不依赖的光信号处理后原输入TE0模仍为TE0模，原输入TM0模仍为TM0模，不影响光信号的继续传输，整个***光路为对称的。
如图2所示，本发明包括正向偏振转换模块1、Y型波导分路器2、两个光功能模块、两个相位调制模块、Y型波导合路器5和反向偏振转换模块6；其特征在于：
存在正交的TE0模和TM0模两种模式的光输入到正向偏振转换模块1，正向偏振转换模块1将输入光中的TM0模转换为TE1模同时保持原有TE0模不变；进而TE0模和TE1模从正向偏振转换模块1输入Y型波导分路器2，Y型波导分路器2将TE1模分成振幅对称，相位相反的两路+TE0/2模和﹣TE0/2模，同时将原有的TE0模分为完全对称两路+TE0/2模，则光被分成分别含有由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为+TE0/2模和TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为﹣TE0/2模的两路光；Y型波导分路器2输出的两路光分别输入完全相同的光功能模块3进行信号处理；进而两路光分别输入相位调制模块4使两路光的相位变化相差为π后分别输出到Y型波导合路器5，在Y型波导合路器5中两路同相的由TE1转化为的+ TE0/2模合为TE0模，两路反相的由TE0转化为的+TE0/2模和﹣TE0/2模合为TE1模，则两路光重新合成一路TE0模和TE1模；进而Y型波导合路器5输出的TE0模和TE1模输入反向偏振转换模块6，将TE1模转换为模TM0模同时保持新合成的TE0模不变，最后输出的是经过光功能模块偏振不依赖的光处理的正交的TE0模和TM0模的光。方案实现了用统一对称的光路处理不同偏振模式的光信号，解决了光信号传输处理的偏振依赖问题。
所述的经过完全相同的光功能模块3信号处理后的两路光（模式组成分别为+TE0/2(TE0)、+TE0/2(TE1)和+TE0/2(TE0)、－TE0/2(TE1)）输入相位调制模块4，调节使两路相位差为π，则由TE1模分束的两路相位相反的+TE0/2模和﹣TE0/2模会转为同相，同时由TE0模分束的两路对称的+TE0/2模会转为反相（模式组成变为+TE0/2(TE0)、+TE0/2(TE1)和－TE0/2(TE0)、+TE0/2(TE1)）；进而经过所述的合路器5，两路同相的+TE0/2(TE1)和+TE0/2(TE1)合为TE0模，两路反相的+TE0/2(TE0)和－TE0/2(TE0)合为TE1模；经过所述的反向偏振转换模块6，TE1模转换为TM0模同时保持TE0模不变。则经过本方案进行偏振不依赖的光信号处理后原输入TE0模转换为TM0模，原输入TM0模转换为TE0模，不影响光信号的继续传输，整个***光路为反对称的。
所述的正向偏振转换模块1和反向偏振转换模块6结构相同，在***中输入输出方向相反；Y型波导分路器2和Y型波导合路器5结构相同，均为相同的对称Y型波导结构，在***中输入输出方向相反。
所述的正向偏振转换模块1为波导宽度线性过渡变宽的锥形波导结构，所述的反向偏振转换模块6为正向偏振转换模块1的反向结构。
所述的光功能模块3为调制器、滤波器、开关或复用/解复用光功能器件。
所述的相位调制模块4为在单模波导延迟线上覆有金属热电极。
所述的模块的材料为硅、玻璃、二氧化硅、聚合物和III-V族化合物中的任意一种。
如图3所示，所述的正向偏振转换模块1为波导宽度线性过渡变宽的锥形波导结构，所述的反向偏振转换模块6为正向偏振转换模块1的反向结构。TE0模102和TM0模103输入所述的正向偏振转换模块1，随着波导宽度逐渐变宽，TE0模102保持偏振不变，而TM0模103会模式演变为TE1模，偏振方向转变。在所述的反向偏振转换模块6中这一过程正好相反。
如图4所示，所述的Y型波导分路器2为对称Y型波导结构，所述的Y型波导合路器5为Y型波导分路器2的反向结构。TE0模202和TE1模203输入所述的Y型波导分路器2，由于波导从较宽的多模波导分束成两条单模波导，TE0模202会演变成两路能量为原1/2，振幅相同、相位相同的对称的+TE0/2模204，而TE1模203会演变成两路能量为原1/2，振幅相同，相位相反的反对称的+TE0/2模和﹣TE0/2模205。则在Y型波导分路器2输出的两路波导上都只存在TE0模单模传输。在所述的Y型波导合路器5中这一过程正好相反。
如图5所示，所述的相位调制模块4为热光调制波导延迟线结构，在单模波导延迟线401上覆有金属热电极402。通过在金属热电极402两端加电压使金属热电极402发热改变材料的温度，进而改变材料的折射率，实现光的相位调制。需要强调的是所述的相位调制模块4为电光调制时图4所示意的波导结构同样适用，只是在电极的设计上需要做一些调整。
如图6所示，本发明所述的光功能模块3为基于微环谐振腔结构的波导器件时，输入的TM0模通过所述的正向偏振转换模块1转换为TE1模，同时TE0模不变，通过所述的Y型波导分路器2分成两路单模传输，其中TE0模分成两路对称+TE0/2模，而TE1模分成两路反对称+TE0/2模和﹣TE0/2模，则在两路单模波导中分别传输的是+TE0/2模、+TE0/2模和+TE0/2模、－TE0/2模。通过基于微环谐振腔结构的器件时（器件由微环波导谐振腔301和与微环谐振腔耦合的直波导302构成），两路光的信号处理（调制、滤波、开关和复用/解复用）都只工作在TE偏振模式，偏振无关。所述的相位调制模块4分别调节两路光信号的相位，使两路光信号的相位差为π，则两路单模波导中分别传输的为+TE0/2、+TE0/2和－TE0/2、+TE0/2。通过所述的Y型波导合路器5和反向偏振转换模块6，两路光重新合为一路并转换为TM0模和TE0模。整个波导结构实现偏振不依赖的光通信***。
本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想的前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。任何人应得知在本方案的启示下作出的结构变化，凡是与本方案具有相同或相近的技术方案，均落入本发明方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，包括正向偏振转换模块(1)、Y型波导分路器(2)、两个光功能模块、两个相位调制模块、Y型波导合路器(5)和反向偏振转换模块(6)；其特征在于：
存在正交的TE0模和TM0模两种模式的光输入到正向偏振转换模块(1)，正向偏振转换模块(1)将输入光中的TM0模转换为TE1模同时保持原有TE0模不变；进而TE0模和TE1模从正向偏振转换模块(1)输入Y型波导分路器(2)，Y型波导分路器(2)将TE1模分成振幅对称，相位相反的两路+TE0/2模和﹣TE0/2模，同时将原有的TE0模分为完全对称的两路+ TE0/2模，则光被分成分别含有由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为+TE0/2模和由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为﹣TE0/2模的两路光；Y型波导分路器(2)输出的两路光分别输入完全相同的光功能模块进行信号处理；进而两路光分别输入相位调制模块使两路光的相位变化相同后分别输出到Y型波导合路器(5)，在Y型波导合路器(5)中两路同相的由TE0转化为的+ TE0/2模合为TE0模，两路反相的由TE1转化为的+TE0/2模和﹣TE0/2模合为TE1模，则两路光重新合成一路TE0模和TE1模；进而Y型波导合路器(5)输出的TE0模和TE1模输入反向偏振转换模块(6)，将TE1模转换为TM0模同时保持新合成的TE0模不变，最后输出的是经过光功能模块偏振不依赖的光处理的正交的TE0模和TM0模的光。
2.根据权利要求1所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的正向偏振转换模块(1)和反向偏振转换模块(6)结构相同，在***中输入输出方向相反；Y型波导分路器(2)和Y型波导合路器(5)结构相同，均为相同的对称Y型波导结构，在***中输入输出方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的正向偏振转换模块(1)为波导宽度线性过渡变宽的锥形波导结构，所述的反向偏振转换模块(6)为正向偏振转换模块(1)的反向结构。
4.根据权利要求1所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的光功能模块(3)为调制器、滤波器、开关或复用/解复用光功能器件。
5.根据权利要求1所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的相位调制模块(4)在单模波导延迟线上覆有金属热电极。
6.一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，包括正向偏振转换模块(1)、Y型波导分路器(2)、两个光功能模块、两个相位调制模块、Y型波导合路器(5)和反向偏振转换模块(6)；其特征在于：
存在正交的TE0模和TM0模两种模式的光输入到正向偏振转换模块(1)，正向偏振转换模块(1)将输入光中的TM0模转换为TE1模同时保持原有TE0模不变；进而TE0模和TE1模从偏振转换模块(1)输入Y型波导分路器(2)，Y型波导分路器(2)将TE1模分成振幅对称，相位相反的两路+TE0/2模和﹣TE0/2模，同时将原有的TE0模分为完全对称的两路+TE0/2模，则光被分成分别含有由TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为+TE0/2模和TE0转化为+TE0/2模、由TE1转化为﹣TE0/2模的两路光；Y型波导分路器(2)输出的两路光分别输入完全相同的光功能模块进行信号处理；进而两路光分别输入相位调制模块使两路光的相位变化相差为π后分别输出到Y型波导合路器(5)，在Y型波导合路器(5)中两路同相的由TE1转化为的+ TE0/2模合为TE0模，两路反相的由TE0转化为的+TE0/2模和﹣TE0/2模合为TE1模，则两路光重新合成一路TE0模和TE1模；进而Y型波导合路器(5)输出的TE0模和TE1模输入反向偏振转换模块(6)，将TE1模转换为TM0模同时保持新合成的TE0模不变，最后输出的是经过光功能模块偏振不依赖的光处理的正交的TE0模和TM0模的光。
7.根据权利要求6所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的正向偏振转换模块(1)和反向偏振转换模块(6)结构相同，在***中输入输出方向相反；Y型波导分路器(2)和Y型波导合路器(5)结构相同，均为相同的对称Y型波导结构，在***中输入输出方向相反。
8.根据权利要求6所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的正向偏振转换模块(1)为波导宽度线性过渡变宽的锥形波导结构，所述的反向偏振转换模块(6)为正向偏振转换模块(1)的反向结构。
9.根据权利要求6所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的光功能模块(3)为调制器、滤波器、开关或复用/解复用光功能器件。
10.根据权利要求6所述的一种集成光波导芯片的片上偏振不依赖***，其特征在于：所述的相位调制模块(4)在单模波导延迟线上覆有金属热电极。
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