CN104969565A - 一种波分复用wdm接收机装置和无源光网络*** - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种波分复用WDM接收机装置和无源光网络***，所述装置包括：一个偏振相关的阵列波导光栅，包括一个输入波导、两个FPR、多个阵列波导和第一数量的输出波导；输入波导接收入射的具有两种偏振的光信号，光信号具有第二数量的波长，通过FPR和阵列波导将TE偏振的光信号色散到第一组输出波导，将TM偏振的光信号色散到第二组输出波导；每个单模-多模耦合器都用于接收第一组输出波导输出的对应波长的TE偏振光信号和第二组输出波导输出的对应波长的TM偏振光信号，并将TE偏振光信号和TM偏振光信号耦合，通过多模波导输出给对应的光探测器，光探测器将耦合后的光信号转换成电信号输出。

Description

说 明 书 一种波分复用 WDM接收机装置和无源光网络***
技术领域
本发明涉及通信技术领域， 尤其涉及一种波分复用 WDM接收机装置和无 源光网络***。 背景技术
在波分复用 （Wavelength Division Multiplex, WDM) 光通信***中， 具有等间距的多个光波长的信号会同时从光分配网络 （ Optical Distribution Network, ODN )入射到 WDM接收机，并在 WDM接收机中通过解 复用器（DeMutiplexer, Demux )在空间上分开到不同的通道中， 再分别被各 通道所连接的光探测器（Photo Detector, PD )所接收， 转变成电信号进行 处理，如图 1所示。 原则上， 需要将每个波长的信号完全分开到其对应的通道 上去以避免对其他信道的干扰。
随着光通信结束的发展， 绝缘体上硅（ Silicon On Isolator, SOI )基 硅光技术已经受到广泛重视， 基于 S0I 的硅光平台具有尺寸小， 制作成本低 的特点。 但是， 由于 S0I波导具有极高的折射率差， 因此基于 S0I平台制作 的阵列波导光栅（Array Waveguide Grating, AWG ) Demux 会遇到严重的偏 振敏感问题。 通常在光纤中传输的光波都可以分为横电模 TE和横磁模 TM两 种偏振态， 在 S0I基的 AWG对于这两种偏振的折射率是不同的， 因此由于偏 振态的不同， 同一波长的光信号会被色散到两个不同的位置上， 从而使得器 件无法完成解复用的功能。
对于 S0I上的偏振不敏感 De腿 X, 已经提出了多种解决方案， 例如采用 光栅耦合器将入射光偏振分离， 然后分别通过两个 AWG解复用， 再利用多个 光栅耦合器将同一波长通道的光波合起来。 原理上， 这个结构可以解决偏振 敏感问题， 但是这种设计需要复杂的偏振分离光栅辅助耦合器， 对制作精度 要求很高， 另外需要两个 AWG , 增大了整个器件的面积， 此外， 需要将两个 AWG对应通道到的解复用波长完全对准才能实现， 因此实现起来难度很大。 发明内容
本发明实施例提供了一种波分复用 WDM接收机装置和无源光网络***， 具有低成本， 设计筒化的特点和较高的工艺容差能力。
第一方面， 本发明实施例提供了一种波分复用 WDM接收机装置， 包括： 一个偏振相关的阵列波导光栅， 包括一个输入波导、 两个自由衍射区
FPR、 多个阵列波导和第一数量的输出波导； 所述输入波导接收入射的具有横 电模 TE偏振和横磁模 TM偏振的两种偏振的波分复用 WDM光信号， 所述 WDM 光信号具有第二数量的波长， 并通过所述两个 FRP和所述两个 FRP之间的多 个阵列波导将 TE偏振的所述光信号色散到第一组输出波导， 将 TM偏振的所 述光信号色散到第二组输出波导； 其中所述第一数量为第二数量的两倍； 多个单模-多模耦合器， 每个所述单模-多模耦合器用于接收所述第一组 输出波导输出的对应波长的 TE偏振光信号，和第二组输出波导输出的对应波 长的 TM偏振光信号， 并将所述 TE偏振光信号和 TM偏振光信号耦合， 通过多 模波导输出；
多个光探测器， 每个所述光探测器接收对应的所述多模波导输出的耦合 后的 TE偏振光信号和 TM偏振光信号， 并将所述耦合后的 TE偏振光信号和 TM偏振光信号转换成电信号输出。
在第一种可能的实现方式中， 所述通过所述两个 FRP和所述两个 FRP之 间的多个阵列波导将 TE偏振的所述光信号色散到第一组输出波导， 将 TM偏 振的所述光信号色散到第二组输出波导具体为：
所述 WDM光信号经过第一 FRP后按照不同功率分别经过相应的阵列波导 传输后入射到第二 FPR, 通过所述第二 FPR将所述横电模 TE偏振的光信号色 散到第一组输出波导， 将横磁模 TM偏振的光信号色散到第二组输出波导输 出； 其中， 相邻两根的阵列波导之间具有固定的长度差。
在第二种可能的实现方式中，所述 WDM光信号的波长与色散后的 TE偏振 的光信号的输出角度 β ΤΕ满足：
nTEd s in β + n ΤΕ Δ =ηιΤΕ λ
其中， nTE和 n' TE 分别是 TE偏振下 FPR和阵列波导的折射率； mTE为 TE 偏振的衍射级次； d为相邻两根阵列波导在 FPR入口处的间距； λ 为 WDM光 信号的波长； 为相邻两根阵列波导的长度差。
结合第一方面或第一方面的第二种实现方式， 在第三种可能的实现方式 中， 所述第一组输出波导为第一数量个， 所述第一组输出波导包括的第一数 量的 ΤΕ输出波导对应的衍射级次相同。
在第四种可能的实现方式中，所述 WDM光信号的波长与色散后的 ΤΜ偏振 的光信号的输出角度 β™满足：
nTMd s in β τΜ + η' ΤΜ Δ =ηιΤΜ λ
其中， ηΤΜ和 η' ΤΜ分别是 TE偏振下 FPR和阵列波导的折射率； mTM为 TM 偏振衍射级次； d为相邻两根阵列波导在 FPR入口处的间距； λ为 WDM光信 号的波长； 为相邻两根阵列波导的长度差。
结合第一方面或第一方面的第四种实现方式， 在第五种可能的实现方式 中， 所述第二组输出波导为第一数量个， 所述第二组输出波导包括的第一数 量的 ΤΜ输出波导对应的衍射级次相同。
在第六种可能的实现方式中， 所述第一组输出波导对应的衍射级次与所 述第二组输出波导对应的衍射级次不同。
在第七种可能的实现方式中，所述单模-多模耦合器、多模波导以及光探 测器的数量具体为第一数量个。
在第八种可能的实现方式中， 所述第一组输出波导的位置与所述第二组 输出波导的位置不重叠。
第二方面， 本发明实施例提供了一种无源光网络***， 所述无源光网络 ***包括第一方面提供的波分复用 WDM接收机装置。
本发明实施例的波分复用 WDM接收机装置， 通过采用一个 AWG分离波长 和偏振， 同时采用单模 -多模耦合结构， 具有低成本， 设计筒化的特点和较高 的工艺容差能力。 附图说明
图 1为现有技术中波分复用接收机装置的示意图；
图 2为本发明实施例提供的波分复用 WDM接收机装置的示意图； 图 3为本发明实施例提供的 AWG结构示意图；
图 4为本发明实施例提供的无源光网络***的示意图。
下面通过附图和实施例， 对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描 述。 具体实施方式
本发明实施例提供的波分复用 WDM接收机装置， 可以应用于硅光通信系 统中， 特别适用于解决具有基于 S0 I基制作的 AWG Demux的 WDM接收机的偏 振敏感问题。
图 2为本发明实施例提供的 WDM接收机装置的示意图。 如图所示， WDM 接收机装置包括： 一个偏振相关的 AWG 1、 多个单模 -多模耦合器 2和多个光 探测器 3。
一个偏振相关的 AWG 1 , 包括一个输入波导 1 1、 两个 FPR 1 21、 122、 m 个阵列波导 1 23和 2n个输出波导 1 3 , 其中 m、 n为正整数。 输入波导 1 3接 收入射的具有两种偏振的 WDM光信号，这两种偏振分别为 TE偏振和 TM偏振。 WDM光信号具有 n种波长， 并通过 FRP 12将横电模 TE偏振的光信号色散到 第一组输出波导 1 31 ,将横磁模 ΤΜ偏振的光信号色散到第二组输出波导 1 32。 其中， AWG的结构具体如图 3的 AWG结构示意图所示。 在 AWG 1 中， 两 个 FPR 121、 122结构一致， 优选的都是由上下边界由两个半径为 2倍关系的 相切的圓的圓弧构成， 小圓称为罗兰圓， 大圓称为光栅圓， 阵列波导 123入 口和出口分别排列在光栅圓上， 输入波导 1 1和输出波导 1 3连接 FPR 121、 122的入口则依次排列在罗兰圓上。
WDM光信号由输入波导 1 1输入， 经过第一 FPR 121之后光波发散按照不 同功率分别进入 m根阵列波导 123里进行传输， 阵列波导 123中， 相邻的两 根阵列波导的长度差为定值 光波经过阵列波导 123 传输后入射到第二 FPR 122 , 由于阵列波导 123的干涉作用， 不同波长的光波会进入到第二 FPR 122不同的位置， 并被相应的输出波导 1 3接收。 又因为对于 TE偏振和 TM偏 振的光波来说， 阵列波导 123以及 FPR 121、 122对于这两种偏振光波的折射 率是不同的， 因此对于 TE偏振和 TM偏振的同样波长的光波也会进入到第二 FPR 122不同的位置。
WDM光信号的波长与色散后的 TE偏振和 TM偏振的光信号的输出角度 βΤΕ 与 β™分别满足：
nTEd s ΐηβχΕ + η ΤΕ Δ =ηιΤΕ λ (式 1 ) nTMd s in TM + η'ΤΜ Δ =ηιΤΜ λ
其中， ηΤΜ和 η'ΤΜ分别是 TE偏振下 FPR和阵列波导的折射率； nTM和 n'TM分 别是 TE偏振下 FPR和阵列波导的折射率； 1¾为 TE偏振的衍射级次； mTM为 TM 偏振的衍射级次； d为相邻两根阵列波导在 FPR入口处的间距； λ为 WDM光 信号的波长； 为相邻两根阵列波导的长度差。 βΤΕ或 β™具体是在第二 FPR 中输出的 ΤΕ或 ΤΜ波导的中心线与连接光栅圓和罗兰圓切点与光栅圓圓心 的连线之间的夹角。
由此可知， AWG可以将不同波长以及不同偏振态的光信号色散到 FPR相 应的位置上。 在本实施例中， ΤΕ偏振的光信号会被色散到图 2中所示的上面 n个相邻的输出波导， 即第一组输出波导 1 31 ; TM偏振的光信号会被色散到 图 2中所示的下面 n个相邻的输出波导， 即第二组输出波导 1 32。
第一组输出波导 1 31 与第二组输出波导 1 32之间的相对位置由 TE、 TM 偏振利用的衍射级次 mTE和 mTM所决定。 它们可以相同， 或者不相同。 在波导 对两种偏振的折射率差异较大时， 如果 TE、 TM偏振使用同一个衍射级次， TM 这组输出波导的位置就会偏离 TE组 [艮远。 通常 AWG的特点是， 位于中心的输 出波导获得最大的耦合效率， 越往边缘则耦合效率越低， 因此所有的输出波 导要尽量靠近以使得每根波导接收到的能量尽量均匀。
多个单模 -多模耦合器 2。 每个单模 -多模耦合器 2用于接收一种波长的 第一组输出波导输出的对应波长的 ΤΕ 偏振光信号和第二组输出波导输出的 对应波长的 ΤΜ偏振光信号， 并将 ΤΕ偏振光信号和 ΤΜ偏振光信号耦合， 通过 多模波导（图中未示出）输出。 因此对与具有 η种波长的 WDM光信号来说， 也要有 η个单模 -多模耦合器 2来接收不同波长的 η组 ΤΕ偏振光信号和 ΤΜ偏 振光信号并耦合。
多个光探测器 3 ,每个光探测器 3接收对应的单模 -多模耦合器 2的多模 波导 （图中未示出）输出的耦合后的 ΤΕ偏振光信号和 ΤΜ偏振光信号， 并将 耦合后的 ΤΕ偏振光信号和 ΤΜ偏振光信号转换成电信号输出。 相应的， 光探 测器 3的数量也为 η个。
以上介绍了构成 WDM接收机装置的各个部分进行了详细描述， 下面再结 合图 2所示的 WDM接收机装置的示意图对由上述各个部分组成的 WDM接收机 装置的工作原理进行介绍。
由光分配网络传输的具有两种偏振的 η个波长的 WDM信号入射到一个偏 振相关的 AWG的入射波导， 由于 AWG的偏振相关性， ΤΕ偏振的 WDM信号会被 色散到上面 η个相邻的输出波导 1 31 , 而 ΤΜ信号则会被色散到下面 η个相邻 的输出波导 1 32 , 分别以单模形式输出。 再将每个波长对应的 TE、 TM两根输 出波导 1 31、 1 32通过一个单模 -多模耦合器 2耦合到同一个多模波导（图中 未示出）里面。 由于多模波导具有更多的模式， 因此理论上可以无损的将两 根输出单模波导的能量， 再通过多模波导（图中未示出）直接将光束耦合到 后面相应的光探测器 3上， 从而可以实现偏振不敏感的 WDM接收机的功能。
本发明实施例提供的 WDM接收机， 通过采用一个 AWG来分离具有两种偏 振的多种波长的光信号的波长和偏振， 无须再额外的使用偏振分离器或其他 AWG, 从而降低了成本， 缩小了整个器件的面积； 通过采用单模 -多模耦合结 构， 避免了复杂的偏振合波结构， 相比偏振合波结构来说， 单模-多模耦合 结构具有较高的工艺容差， 更易于实现； 此外， 通过对 TE、 TM采用不同衍射 级次， 可以提高整体的耦合效率。
本发明实施例还进一步提供一种无源光网络***， 所述无源光网络*** 可以是如图 4所示的波分复用无源光网络（WDM P0N)***。 所述 WDM P0 *** 400 包括位于局端（Central Office, CO)的光线路终端 410和位于用户侧的 多个光网络单元 420, 其中所述光线路终端 410 通过光分配网络（Optical Distribution Network, 0DN) 430连接到所述多个光网络单元 420。 所述光分 配网络 430可以包括主干光纤 431、 波分复用 /解复用器 432和多个分支光纤 433, 其中所述主干光纤 431连接到所述光线路终端 410, 并通过所述波分复 用 /解复用器 432连接到所述多个分支光纤 433, 所述多个分支光纤 433分别 连接到所述光网络单元 420。 其中， 所述波分复用 /解复用器 432可以为设置 在远端节点（Remote Node, RN) P车歹 'J波导光栅（Array Waveguide Grating, AWG) , 即远端 AWG (RN- AWG) 432。
所述光线路终端 410包括有多个局端收发模块 411, 所述多个 0LT收发 模块 411 通过位于局端的另一个波分复用 /解复用器 412, 比如局端 AWG (C0-AWG)耦合到所述主干光纤 431。 每个光网络单元 420分别包括一个用户 端收发模块 421。 所述用户端收发模块 421与所述局端收发模块 411之间一 一对应， 且每一对局端收发模块 411和用户端收发模块 421分别采用不同的 通信波长 (λ1， λ2， ... λη)进行类似点对点的通信。 其中， 图中 411的局端收发模块包括激光器， 波分复用器 WDM和接收机， 所述接收机为本发明实施例图 2以及图 2对应的实施例描述的 WDM接收机装 置。 如图 2所示， 所述 WDM接收机装置包括： 一个偏振相关的 AWG 1、 多个 单模 -多模耦合器 2和多个光探测器 3。 具体请参见图 2以及相应的实施例的 描述， 这里就不再对 WDM接收机装置的具体结构进行赘述。
以上所述的具体实施方式， 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， 所应理解的是， 以上所述仅为本发明的具体实施方式而 已， 并不用于限定本发明的保护范围， 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。

Claims (10)

  1. 权 利 要 求 书
    1、 一种波分复用 WDM接收机装置， 其特征在于， 所述装置包括： 一个偏振相关的阵列波导光栅，包括一个输入波导、两个自由衍射区 FPR、 多个阵列波导和第一数量的输出波导； 所述输入波导接收入射的具有横电模 TE偏振和横磁模 TM偏振的两种偏振的波分复用 WDM光信号，所述 WDM光信号 具有第二数量的波长， 并通过所述两个 FRP和所述两个 FRP之间的多个阵列 波导将 TE偏振的所述光信号色散到第一组输出波导， 将 TM偏振的所述光信 号色散到第二组输出波导； 其中所述第一数量为第二数量的两倍；
    多个单模-多模耦合器， 每个所述单模 -多模耦合器用于接收所述第一组 输出波导输出的对应波长的 TE偏振光信号， 和第二组输出波导输出的对应波 长的 TM偏振光信号， 并将所述 TE偏振光信号和 TM偏振光信号耦合， 通过多 模波导输出；
    多个光探测器， 每个所述光探测器接收对应的所述多模波导输出的耦合 后的 TE偏振光信号和 TM偏振光信号，并将所述耦合后的 TE偏振光信号和 TM 偏振光信号转换成电信号输出。
  2. 2、 根据权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述通过所述两个 FRP和 所述两个 FRP之间的多个阵列波导将 TE偏振的所述光信号色散到第一组输出 波导， 将 TM偏振的所述光信号色散到第二组输出波导具体为：
    所述 WDM光信号经过第一 FRP后按照不同功率分别经过相应的阵列波导 传输后入射到第二 FPR , 通过所述第二 FPR将所述横电模 TE偏振的光信号色 散到第一组输出波导，将横磁模 TM偏振的光信号色散到第二组输出波导输出； 其中， 相邻两根的阵列波导之间具有固定的长度差。
  3. 3、 根据权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述 WDM光信号的波长与 色散后的 TE偏振的光信号的输出角度 β<sub>ΤΕ</sub>满足：
    nTEd sinpTE + η ΤΕ Δ L=mTE入
    其中， nTE和 n'TE分别是 TE偏振下 FPR和阵列波导的折射率； mTE为 TE偏 振的衍射级次； d为相邻两根阵列波导在 FPR入口处的间距； λ为 WDM光信 号的波长； AL为相邻两根阵列波导的长度差。
  4. 4、 根据权利要求 3所述的装置， 其特征在于， 所述第一组输出波导为第 一数量个， 所述第一组输出波导包括的第一数量的 ΤΕ输出波导对应的衍射级 次相同。
  5. 5、 根据权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述 WDM光信号的波长与 色散后的 ΤΜ偏振的光信号的输出角度 β<sub>ΤΜ</sub>满足：
    nTMd sinPiM + η'ΤΜ Δ L=mTM入
    其中， nTM和 n'TM 分别是 ΤΕ偏振下 FPR和阵列波导的折射率； mTM为 TM 偏振衍射级次； d为相邻两根阵列波导在 FPR入口处的间距； λ为 WDM光信 号的波长； Δ |_为相邻两根阵列波导的长度差。
  6. 6、 根据权利要求 5所述的装置， 其特征在于， 所述第二组输出波导为第 一数量个， 所述第二组输出波导包括的第一数量的 ΤΜ输出波导对应的衍射级 次相同。
  7. 7、 根据权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述第一组输出波导对应 的衍射级次与所述第二组输出波导对应的衍射级次不同。
  8. 8、 根据权利要求 1 所述的装置， 其特征在于， 所述单模-多模耦合器、 多模波导以及光探测器的数量具体为第一数量个。
  9. 9、 根据权利要求 1所述的装置， 其特征在于， 所述第一组输出波导的位 置与所述第二组输出波导的位置不重叠。
  10. 10、 一种无源光网络***， 其特征在于， 所述无源光网络***包括如上 述权利要求 1所述的波分复用 WDM接收机装置。
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