CN108761648B - 一种混合集成的三端口光环形器 - Google Patents

一种混合集成的三端口光环形器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合集成的三端口光环形器，它由五个偏振分束器、两个由半波片和旋光片组成的偏振转换组件以及单模光波导组成，其中PBS以集成光学技术制备，并在PBS之间的单模光波导横向刻槽，***偏振转换组件，从而实现光信号在三个端口之间环路传输。另外，偏振转换组件中的半波片，中心波长从1310nm移到1285nm，使光环形器在1260nm～1340nm工作波段的最低隔离度得到提高，优化了整个带宽的隔离性能。本发明通过采用混合集成光学技术，在保证光环形器隔离度的前提下实现了器件的小型化、集成化，能够方便的与其他集成光学器件相连接，制造工艺也得到了简化，满足了数据中心中波分复用单纤双向传输模块的需求。

Description

一种混合集成的三端口光环形器
技术领域
本发明属于光通信领域，更具体地，涉及一种混合集成的三端口光环形器。
背景技术
在光纤通信***中，反向光的传输将给器件和***带来不稳定性，光环行器是一种多端口输入输出的非互易器件，它使光信号只能沿固定的路径进行环路传输，从而实现正反向传输光的分离，广泛应用于单纤双向传输***、色散补偿单元、波长阻塞器、通道均衡器和波长选择开关等光通信子***中。
互联网应用的蓬勃发展促进了数据中心的大规模建设，数据中心服务器之间高速数据传输只能通过光纤互连技术实现。光纤互连技术经历了多模光纤并行传输、单模光纤并行传输和单模光纤波分复用传输阶段，波分复用传输采用1270、1290、1310、1330nm四个工作波长。为了进一步节约光纤资源，数据中心用户提出了波分复用单纤双向传输的需求，通过光环行器实现收发光信号的分离，并要求其工作波段覆盖1260-1340nm。
传统的光环形器采用位移晶体和楔角片对等分立器件，尺寸较大，需要的器件较多，不能方便的集成到收发模块当中，而且工作带宽较窄。相对于电信应用，数据中心光互连技术对光环行器提出了宽带需求，前者要求的是1530-1570nm的40nm带宽，后者要求的是1260-1340nm的80nm带宽，并且后者希望将光环行器集成在光纤收发模块中，因此对光环行器提出了小型化需求。
相对于现有的分立器件光环形器，光波导器件具有尺寸较小、工艺简单，成本较低的优点。本发明通过光波导器件和分立器件两种技术的混合集成，设计了一种小型化光环行器，并对其工作带宽进行了优化设计，使其满足数据中心中波分复用单纤双向传输模块的需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种混合集成的三端口光环形器，旨在解决传统光环形器体积过大、集成度低、工作带宽窄、不便于在数据中心使用的问题。
本发明提供了一种混合集成的三端口光环形器，包括：光波导芯片，第一偏振转换组件和第二偏振转换组件；在光波导芯片上集成有五个偏振分束器(PBS1～PBS5)，第一偏振分束器PBS1的第一端作为三端口光环形器的光信号输入端T1，第二偏振分束器PBS2的第三端作为三端口光环形器的光信号传输端T2，第三偏振分束器PBS3的第一端作为三端口光环形器的光信号输出端T3；所述第一偏振分束器PBS1的第二端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第四偏振分束器PBS4的第一端，所述第一偏振分束器PBS1的第三端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第五偏振分束器PBS5的第一端；所述第三偏振分束器PBS3的第二端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第四偏振分束器PBS4的第二端，所述第三偏振分束器PBS3的第三端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第五偏振分束器PBS5的第二端；所述第四偏振分束器PBS4的第三端通过所述第二偏振转换组件连接至所述第二偏振分束器PBS2的第一端，所述第五偏振分束器PBS5的第三端通过所述第二偏振转换组件连接至所述第二偏振分束器PBS2的第二端。
工作时，当光信号从T1端口传输到T2端口时，入射的随机偏振光被PBS1分成TE偏振光和TM偏振光，经过第一偏振转换组件后，TE偏振光和TM偏振光的偏振态保持不变，分别进入PBS4和PBS5，再通过第二偏振转换组件后偏振态依旧不变，最后这两路TE偏振光和TM偏振光被PBS2合并，从T2端口输出；当光信号从T2端口传输到T3端口时，入射的随机偏振光被PBS2分成TE偏振光和TM偏振光，经过第二偏振转换组件后，两束光分别发生TE→TM和TM→TE的偏振变换，然后分别经过PBS4和PBS5，传输到第一偏振转换组件的下部，并再次发生TM→TE和TE→TM的偏振变换，最后这两路TE和TM偏振光被PBS3合并，从T3端口输出。
更进一步地，各个偏振分束器与第一偏振转换组件或第二偏振转换组件之间通过单模光波导连接。
更进一步地，在连接各个偏振分束器的单模光波导的横向设置有第一刻槽和第二刻槽，且所述第一偏振转换组件***所述第一刻槽中，所述第二偏振转换组件***所述第二刻槽中。
更进一步地，在单模光波导中，设置有第一刻槽或第二刻槽处第一波导的波导宽度大于其他位置第二波导的波导宽度。
更进一步地，在第一波导与所述第二波导之间通过锥区进行过渡衔接。
更进一步地，第一偏振转换组件和所述第二偏振转换组件的结构相同；且所述第一偏振转换组件和所述第二偏振转换组件均用于实现当光从一侧通过时，偏振方向旋转90度；当光从另一侧通过时，偏振方向不发生旋转。
更进一步地，第一偏振转换组件包括：法拉第旋光片和半波片；法拉第旋光片与半波片紧密贴合，法拉第旋光片与PBS1和PBS3相连，靠近T1和T3端口，半波片与PBS4和PBS5相连，靠近T2端口；所述法拉第旋光片用于对光信号的偏振态旋转45度，所述半波片用于让光的偏振态绕其快轴作镜像偏转。
更进一步地，半波片的中心波长为1285nm。为了拓展光环行器的工作带宽，本发明将半波片的中心波长设计为1285nm，相对于传统光环行器所采用的1310nm，向短波偏移了25nm。通过此优化设计，光环行器在工作波段内的最低隔离度得到提高。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于使用了混合集成技术，将传统光环形器中的位移晶体和楔角片对用光波导器件替代，在其中刻槽***旋光片和半波片组成的偏振转换组件，并对其中半波片的中心波长进行重新设计，能够让整个光环形器小型化、集成化，同时降低了制造成本、简化了制造工艺，提升了在1260-1340nm工作带宽的整体隔离度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的混合集成光环形器结构，其中光信号从T1端口传输到T2端口的情况；
图2为本发明实施例提供的混合集成光环形器结构，其中光信号从T2端口传输到T3端口的情况；
图3为基于光波导技术的偏振分束器(PBS)结构；
图4为基于光波导技术的3dB耦合器结构，其中(a)为方向耦合器，(b)为多模干涉耦合器；
图5为PBS中的干涉臂结构，其中(a)为第一臂立体结构图，(b)为第二臂立体结构图，(c)为第一臂横截面图，(d)第二臂横截面图；
图6为基于分立器件技术的偏振转换组件结构，(a)表示TE偏振光入射的情况，(b)表示TM偏振光入射的情况；
图7为刻槽与单模光波导连接处的锥形化处理示意图；
图8为工作波段内的隔离度优化曲线，其中(a)表示优化前的曲线，(b)表示优化后的曲线；
附图标记说明：1为第一刻槽，2为第二刻槽，3为第一偏振转换组件，4为第二偏振转换组件，5为第一臂，6为第二臂，7为第一3dB耦合器，8为第二3dB耦合器，9为第一单模光波导，10为第二单模光波导，11为平板光波导，12为单模光波导，13为锥区，14为宽波导。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种混合集成的三端口光环形器，如图1所示，它由五个偏振分束器(PBS1～PBS5)、两个刻槽(1、2)、两个偏振转换组件(3、4)和连接各元件的单模光波导构成，其中PBS均以集成光学技术制备在一个光波导芯片上，而偏振转换组件由分立器件技术的法拉第旋光片和半波片组成，图中黑色粗线表示单模光波导。在连接各个PBS的单模光波导的横向，制作了两个截断单模光波导的刻槽，两个偏振转换组件分别***槽中。T1端口是光信号的输入端口，T2端口是光信号传输端口，T3端口是光信号输出端口。
图1表示光信号从T1端口传输到T2端口的情况，入射的随机偏振光被PBS1分成TE偏振光和TM偏振光(电场振动方向垂直入射面的叫TE偏振光，电场振动方向在入射面内的叫TM偏振光。)，经过第一偏振转换组件3之后，TE和TM偏振光的偏振态保持不变，分别进入PBS4和PBS5，再通过第二偏振转换组件4，偏振态依旧不变，最后这两路TE和TM偏振光被PBS2合并，从T2端口输出。图2表示光信号从T2端口传输到T3端口的情况，入射的随机偏振光被PBS2分成TE和TM偏振光，经过第二偏振转换组件4之后，两束光分别发生TE→TM和TM→TE的偏振变换，然后分别经过PBS4和PBS5，传输到第一偏振转换组件3的下部，并再次发生TM→TE和TE→TM的偏振变换，最后这两路TE和TM偏振光被PBS3合并，从T3端口输出。
偏振分束器(PBS)的结构如图3所示，它是由两个3dB耦合器(7、8)和一对干涉臂(5、6)构成的光波导器件，光信号从C1端口输入，从C2、C3端口输出，C4端口弃用。输入光经3dB耦合器7分成两束，两个非对称臂具有不同的波导宽度，第一臂5的宽度为W1，第二臂6的宽度为W2，第一臂5中TE和TM光的有效折射率分别为n1TE和n1TM，第二臂6中TE和TM光的有效折射率分别为n2TE和n2TM，非对称臂的传输使TE和TM光分别积累不同的相位差。经过3dB耦合器7之后，进入两臂的两束TE和TM偏振光均获得了π/2的初始相位差。经非对称臂到达3dB耦合器8时两束TE偏振光的相位差增加2mπ(m为整数)即总相位差为2mπ+π/2；两束TM偏振光的相位差增加(2n+1)π(n为整数)即总相位差为2nπ+3π/2。除去2π整数倍的相位差，TE和TM偏振光积累的相位差相差π，根据3dB光耦合器的工作原理，TE和TM偏振光将分别从3dB耦合器8的两个端口输出，实现偏振分束功能。为满足上述相位关系，入射光波长λ、非对称干涉臂的臂长L与等效折射率之间应满足如下关系式：
(n1TE-n2TE)·L＝mλm为整数
(n1TM-n2TM)·L＝(n+1/2)λn为整数
图4表示3dB耦合器的结构，有两种实现方式，一种是(a)中的方向耦合器，另一种是(b)中使用平板光波导实现的多模干涉耦合器。二者的功能都是将输入光等分后从两个端口输出，两束输出光存在一定的相位差，比如方向耦合器，相位差为π/2。
偏振分束器中两臂的具体结构和横截面如图5所示，(a)为第一臂立体结构图，(b)为第二臂立体结构图，(c)为第一臂横截面图，(d)第二臂横截面图。两臂中光波导的长度和截面高度都相同，但第一臂宽度为W1，第二臂宽度为W2，在不同宽度的光波导中TE和TM偏振光有效折射率不同。
图6表示45度法拉第旋光片(阴影方块)和半波片(白色方块)组成的偏振转换组件，(a)表示TE模式光入射的情况，(b)表示TM模式光入射的情况。法拉第旋光片使光的偏振态旋转45度，旋转方向取决于外加磁场方向。半波片的功能是让光的偏振方向绕其快轴作镜像偏转，设计其快轴角度与x轴方向夹角为22.5度，而偏转方向则取决于入射光偏振方向与快轴方向之间的关系。因此法拉第旋光片和半波片的组合功能是，当光从一侧通过时，偏振方向偏转90度；当光从另一侧通过时，偏振方向不发生偏转。
图7表示单模光波导12与刻槽1接处的锥区结构，由于单模光波导被横向刻槽截断，为了减小光信号在刻槽中的传输损耗和重新进入另一侧光波导时的耦合损耗，被截断的单模光波导在端口位置均需增加波导宽度，并在窄波导12与宽波导14之间通过锥区13进行过渡衔接，以减小损耗。在单模光波导与刻槽2连接处也有类似的结构。
图8表示在1260nm～1340nm带宽上的隔离度曲线，横坐标是波长，纵坐标是隔离度，其中(a)是优化前的曲线，半波片中心波长为1310nm，可以看到中心隔离度很高，整个带宽上的最低隔离度是44.2dB。(b)是对半波片进行优化后的隔离度曲线，半波片的中心波长为1285nm，整个曲线变得平坦，最低隔离度提升到46.0dB。
本领域的技术人员容易理解，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或者替换，都应当视为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混合集成的三端口光环形器，其特征在于，包括：光波导芯片，第一偏振转换组件(3)和第二偏振转换组件(4)；
在所述光波导芯片上集成有五个偏振分束器PBS1～PBS5，第一偏振分束器PBS1的第一端作为三端口光环形器的光信号输入端T1，第二偏振分束器PBS2的第三端作为三端口光环形器的光信号传输端T2，第三偏振分束器PBS3的第一端作为三端口光环形器的光信号输出端T3；
所述第一偏振分束器PBS1的第二端通过所述第一偏振转换组件(3)连接至所述第四偏振分束器PBS4的第一端，所述第一偏振分束器PBS1的第三端通过所述第一偏振转换组件(3)连接至所述第五偏振分束器PBS5的第一端；
所述第三偏振分束器PBS3的第二端通过所述第一偏振转换组件(3)连接至所述第四偏振分束器PBS4的第二端，所述第三偏振分束器PBS3的第三端通过所述第一偏振转换组件(3)连接至所述第五偏振分束器PBS5的第二端；
所述第四偏振分束器PBS4的第三端通过所述第二偏振转换组件(4)连接至所述第二偏振分束器PBS2的第一端，所述第五偏振分束器PBS5的第三端通过所述第二偏振转换组件(4)连接至所述第二偏振分束器PBS2的第二端。
2.如权利要求1所述的三端口光环形器，其特征在于，工作时，当光信号从T1端口传输到T2端口时，入射的随机偏振光被PBS1分成TE偏振光和TM偏振光，经过第一偏振转换组件后，TE偏振光和TM偏振光的偏振态保持不变，分别进入PBS4和PBS5，再通过第二偏振转换组件后偏振态依旧不变，最后这两路TE偏振光和TM偏振光被PBS2合并，从T2端口输出；
当光信号从T2端口传输到T3端口时，入射的随机偏振光被PBS2分成TE偏振光和TM偏振光，经过第二偏振转换组件后，两束光分别发生TE→TM和TM→TE的偏振变换，然后分别经过PBS4和PBS5，传输到第一偏振转换组件的下部，并再次发生TM→TE和TE→TM的偏振变换，最后这两路TE和TM偏振光被PBS3合并，从T3端口输出。
3.如权利要求1所述的三端口光环形器，其特征在于，各个偏振分束器与第一偏振转换组件(3)或第二偏振转换组件(4)之间通过单模光波导连接。
4.如权利要求3所述的三端口光环形器，其特征在于，在连接各个偏振分束器的单模光波导的横向设置有第一刻槽(1)和第二刻槽(2)，且所述第一偏振转换组件(3)***所述第一刻槽(1)中，所述第二偏振转换组件(4)***所述第二刻槽(2)中。
5.如权利要求4所述的三端口光环形器，其特征在于，在单模光波导中，设置有第一刻槽(1)或第二刻槽(2)处刻槽两侧附近的第一波导的波导宽度大于远离刻槽区域的第二波导的波导宽度。
6.如权利要求5所述的三端口光环形器，其特征在于，在所述第一波导与所述第二波导之间通过锥区进行过渡衔接。
7.如权利要求1-6任一项所述的三端口光环形器，其特征在于，所述第一偏振转换组件(3)和所述第二偏振转换组件(4)的结构相同；且所述第一偏振转换组件(3)和所述第二偏振转换组件(4)均用于实现当光从一侧通过时，偏振方向旋转90度；当光从另一侧通过时，偏振方向不发生旋转。
8.如权利要求7所述的三端口光环形器，其特征在于，所述第一偏振转换组件(3)包括：法拉第旋光片和半波片；法拉第旋光片与半波片紧密贴合，法拉第旋光片与第一偏振分束器PBS1和第三偏振分束器PBS3相连并靠近T1和T3端口；半波片与第四偏振分束器PBS4和第五偏振分束器PBS5相连并靠近T2端口；所述法拉第旋光片用于对光信号的偏振态旋转45度，所述半波片用于让光的偏振态绕其快轴作镜像偏转。
9.如权利要求8所述的三端口光环形器，其特征在于，所述半波片的中心波长为1285nm。
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