CN109358396B - 一种光学混频器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学混频器，涉及相干光通信领域，包括光交叉、多模弯曲波导、2个输入分束器以及2个输出分束器；2个输入分束器用于：分别对信号光和本振光进行分束后，通过多模弯曲波导传输至光交叉；光交叉用于：对2个输入分束器的输出光进行交叉传输后，分别通过多模弯曲波导传输至2个输出分束器；多模弯曲波导用于：基模光进入多模弯曲波导后产生多模干涉，在多模弯曲波导的出口处形成基模光出射；2个输出分束器用于：接收光交叉出射并经多模弯曲波导传输的光，输出基模光。本发明能够在扩大光学混频器的带宽、降低光学混频器的插损的同时，提高光学混频器的成品率。

Description

一种光学混频器
技术领域
本发明涉及相干光通信领域，具体涉及一种光学混频器。
背景技术
光学混频器是相干光通信中一个至关重要的器件，用于相干信号的解调，光学混频器的各通道出口的相位误差必须非常小。
目前使用的光学混频器一般为以下2种：
1、基于4×4(4个输入端和4个输出端)或2×4(2个输入端和4个输出端)的多模干涉仪的光学混频器，该光学混频器使用时，由于4×4或2×4多模干涉仪自身的特性，会导致光学混频器带宽较小，插损较大。
2、基于光交叉、以及1×2及2×2分束器的光学混频器，该光学混频器的各个光学器件之间采用单模波导连接；但是单模波导的有效折射率对波导宽度变化非常敏感，而工艺误差引起实际制作波导宽度值的波动不可避免，这就最终导致基于单模波导的光学混频器的相位误差波动极大，进而使得光学混频器的成品率较低。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：如何在扩大光学混频器的带宽、降低光学混频器的插损的同时，提高光学混频器的成品率。
为达到以上目的，本发明提供的光学混频器，包括光交叉、2个输入分束器以及2个输出分束器；
2个输入分束器为n×2分束器，2个输入分束器用于：分别对信号光和本振光进行分束后，通过多模弯曲波导传输至光交叉；
光交叉用于：对2个输入分束器的输出光进行交叉传输后，分别通过多模弯曲波导传输至2个输出分束器；
多模弯曲波导用于：基模光进入多模弯曲波导后产生多模干涉，并在多模弯曲波导的出口处形成基模光出射；
2个输出分束器均为2×2分束器，其用于：接收光交叉出射并经多模弯曲波导传输的基模光，输出基模光。
通过上述方案可知，本发明使用2个n×2分束器实现基模光的入射，通过2个2×2分束器实现基模光的出射，2个输出分束器的4个输出端输出的基模光的相对相位差分别为0°，180°，90°和270°(相对其中一个端口)，从而实现光的混频；与现有技术中的4×4或2×4多模干涉仪相比，本发明n×2或2×2分束器会使得光学混频器带宽较大，插损较小。
与此同时，本发明的光交叉、输入分束器和输出分束器之间通过多模弯曲波导相连，其原理在于：在波导器件加工的过程中，由于局域光刻和刻蚀存在误差，必然导致波导实际尺寸与设计值不同，且即使同一个器件在不同位置做出来的实际尺寸也会有所不同，这样一来相位型器件的成品率就很难高。但是波导有效折射率的变化率会随着波导宽度的增加而变小，意味着宽度较宽的多模波导对工艺误差有着更高的容忍度，即相比于现有的基于单模波导的光学混频器，采用多模弯曲波导可以使光学混频器有较大的工艺容差，工艺精度要求低、成品率高。
在上述技术方案的基础上，所述光交叉的数量为3个：第一光交叉、第二光交叉和第三光交叉，每个光交叉包括2个输入端：第一输入端和第二输入端，还包括2个输出端：第一输出端和第二输出端；所述2个输入分束器为第一输入分束器和第二输入分束器，所述2个输出分束器为第一输出分束器和第二输出分束器；
第一输入分束器的一个输出端通过多模弯曲波导与第一光交叉的一个输入端相连，第一输入分束器的另一个输出端通过多模弯曲波导与第二光交叉的第一输入端相连；第二输入分束器的一个输出端通过多模弯曲波导与第二光交叉的第二输入端相连，第二输入分束器的另一个输出端通过多模弯曲波导与第三光交叉的一个输入端相连；
第一输出分束器的一个输入端通过多模弯曲波导与第一光交叉的一个输出端相连，第一输出分束器的另一个输入端通过多模弯曲波导与第二光交叉的第一输出端相连；第二输出分束器的一个输入端通过多模弯曲波导与第二光交叉的第二输出端相连，第二输出分束器另一个输入端通过多模弯曲波导与第三光交叉的一个输出端相连；
所有多模弯曲波导均包括至少1段多模弯曲波导段。
通过上述方案可知，本发明清楚的实现了对2个输入分束器输出光的交叉传输、以及将交叉传输后的光传输至2个输出分束器，同时消除了引入光交叉带来的相位误差。
在上述技术方案的基础上，所述多模弯曲波导段的内侧壁圆弧的圆心和外侧壁圆弧的圆心位于不同位置。
通过上述方案可知，本发明通过对多模弯曲波导段内外侧壁圆弧的圆心的不同分布，能够使多模弯曲波导段的宽度沿光传播方向不断变化，以此实现基模光进入多模弯曲波导段后产生多模干涉，并在多模弯曲波导段的出口处再次形成基模光出射。
在上述技术方案的基础上，每个输入分束器的每个输出端和光交叉连接的多模弯曲波导均为1段多模弯曲波导段；每个光交叉的输出端与输出分束器的输入端连接的多模弯曲波导，均至少由2段多模弯曲波导段连接而成。
在上述技术方案的基础上，所述每个光交叉的输出端与输出分束器的输入端连接的多模弯曲波导，均由3段多模弯曲波导段连接而成。
通过上述方案可知，将多模弯曲波导分段能够降低长度较长的多模弯曲波导的设计难度，便于设计。
在上述技术方案的基础上，每个光交叉位于同一位置的夹角，均为多模弯曲波导段中心线的弯曲角度的2倍。
在上述技术方案的基础上，每段多模弯曲波导段的2端均设置有直波导。
在上述技术方案的基础上，每个输入分束器的所有输入端之处、以及每个输出分束器的所有输出端之处，均设置有直波导。
通过上述方案可知，直波导能够增加光传输的稳定性。
在上述技术方案的基础上，2个输入分束器分别为1×2分束器和2×2分束器。
通过上述方案可知，2×2分束器的2个输出端的出射光的相位差基本为π/2。
在上述技术方案的基础上，每个输入分束器和输出分束器均可选用多模干涉仪或定向耦合器。
附图说明
图1为本发明实施例中光学混频器的结构示意图；
图2为本发明实施例中多模弯曲波导的示意图；
图3为本发明实施例中光交叉的示意图。
图中：1-第一输入分束器，2-第二输入分束器，3-第一光交叉，4-第二光交叉，5-第三光交叉，6-第一输出分束器，7-第二输出分束器，8-多模弯曲波导段，9-直波导。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中的光学混频器，包括光交叉、多模弯曲波导、2个输入分束器以及2个输出分束器；
2个输入分束器为n×2分束器(即具备2个输出端)，2个输入分束器用于：分别对信号光和本振光进行分束后，通过多模弯曲波导传输至光交叉，其中1个输入分束器的2个输出端的出射光的相位差基本为π/2；
光交叉用于：对2个输入分束器的输出光进行交叉传输后，分别通过多模弯曲波导传输至2个输出分束器；
多模弯曲波导用于：基模光进入多模弯曲波导后产生多模干涉，并在多模弯曲波导的出口处再次形成基模光出射；
2个输出分束器均为2×2分束器(即具备2个输入端和2个输出端)，其用于：接收光交叉出射并经多模弯曲波导传输的基模光，输出基模光，2个输出分束器的4个输出端输出的基模光的相对相位差分别为0°，180°，90°和270°(相对其中一个端口)，从而实现光的混频。
由此可知，本发明使用2个n×2分束器实现基模光的入射，通过2个2×2分束器实现基模光的出射；与现有技术中的4×4或2×4多模干涉仪相比，本发明n×2或2×2分束器会使得光学混频器带宽较大，插损较小。
与此同时，本发明的光交叉、输入分束器和输出分束器之间通过多模弯曲波导相连，其原理在于：在波导器件加工的过程中，由于局域光刻和刻蚀存在误差，必然导致波导实际尺寸与设计值不同，且即使同一个器件在不同位置做出来的实际尺寸也会有所不同，这样一来相位型器件的成品率就很难高。但是波导有效折射率的变化率会随着波导宽度的增加而变小，意味着宽度较宽的多模波导对工艺误差有着更高的容忍度，即相比于现有的基于单模波导的光学混频器，采用多模弯曲波导可以使光学混频器有较大的工艺容差，工艺精度要求低、成品率高。
优选的，为了实现1个输入分束器的2个输出端的出射光的相位差基本为π/2，参见图1所示，2个输入分束器分别为1×2分束器和2×2分束器，2×2分束器的2个输出端的出射光的相位差基本为π/2。
优选的，参见图1所示，为了实现对2个输入分束器输出光的交叉传输、以及将交叉传输后的光传输至2个输出分束器，同时消除引入光交叉带来的相位误差，光交叉的数量为3个：第一光交叉3、第二光交叉4和第三光交叉5，每个光交叉包括2个输入端：第一输入端和第二输入端，还包括2个输出端：第一输出端和第二输出端；2个输入分束器为第一输入分束器1和第二输入分束器2，2个输出分束器为第一输出分束器6和第二输出分束器7；
第一输入分束器1的一个输出端通过多模弯曲波导与第一光交叉3的一个输入端(第二输入端)相连，第一输入分束器1的另一个输出端通过多模弯曲波导与第二光交叉4的第一输入端相连；第二输入分束器2的一个输出端通过多模弯曲波导与第二光交叉4的第二输入端相连，第二输入分束器2的另一个输出端通过多模弯曲波导与第三光交叉5的一个输入端(第一输入端)相连；
第一输出分束器6的一个输入端通过多模弯曲波导与第一光交叉3的一个输出端(第一输出端)相连，第一输出分束器6的另一个输入端通过多模弯曲波导与第二光交叉4的第一输出端相连；第二输出分束器7的一个输入端通过多模弯曲波导与第二光交叉4的第二输出端相连，第二输出分束器7另一个输入端通过多模弯曲波导与第三光交叉5的一个输出端(第二输入端)相连；
所有多模弯曲波导均包括至少1段多模弯曲波导段8，所有多模弯曲波导段8的结构相同。
优选的，为了实现基模光进入多模弯曲波导段8后产生多模干涉，并在多模弯曲波导段8的出口处再次形成基模光出射，多模弯曲波导段8的内侧壁圆弧(即弦长较小1侧圆弧)的圆心和外侧壁圆弧(即弦长较大1侧圆弧)的圆心位于不同位置。
优选的，参见图1所示，为了保证输出端相位误差尽可能小，第一输入分束器1与第一输出分束器6之间的光路、第一输入分束器1与第二输出分束器7之间的光路、第二输入分束器2与第一输出分束器6之间的光路、第二输入分束器2与第二输出分束器7之间的光的有效路径需要尽可能一致；本发明的每个输入分束器的每个输出端和光交叉连接的多模弯曲波导均为1段多模弯曲波导段8；每个光交叉的输出端与输出分束器的输入端连接的多模弯曲波导，均至少由2段多模弯曲波导段8连接而成(本实施例中为3段多模弯曲波导段8连接)，这里使用3段多模弯曲波导段8连接能够降低长度较长的多模弯曲波导的设计难度，便于设计。
优选的，为了与多模弯曲波导段8配合，参见图2和图3所示，所有光交叉的结构相同，并且对于每个光交叉而言，两个通道交叉波导的结构相同且呈水平轴对称；每个光交叉位于同一位置的夹角(2θ)，均为多模弯曲波导段8中心线的弯曲角度(θ)的2倍。
优选的，为了增加光传输的稳定性，参见图1所示，每段多模弯曲波导段8的2端(即连接处)均设置有直波导9(即多模弯曲波导段8通过直波导9与其他部件相连)。
优选的，为了进一步增加光传输的稳定性，参见图1所示，每个输入分束器的所有输入端之处、以及每个输出分束器的所有输出端之处，也设置有直波导9。
优选的，每个输入分束器和输出分束器均可选用多模干涉仪或定向耦合器。
进一步，本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种光学混频器，包括光交叉、2个输入分束器以及2个输出分束器，其特征在于：
2个输入分束器为n×2分束器，2个输入分束器用于：分别对信号光和本振光进行分束后，通过多模弯曲波导传输至光交叉；
光交叉用于：对2个输入分束器的输出光进行交叉传输后，分别通过多模弯曲波导传输至2个输出分束器；
多模弯曲波导用于：基模光进入多模弯曲波导后产生多模干涉，并在多模弯曲波导的出口处形成基模光出射；
2个输出分束器均为2×2分束器，其用于：接收光交叉出射并经多模弯曲波导传输的基模光，输出基模光；
所述光交叉的数量为3个：第一光交叉(3)、第二光交叉(4)和第三光交叉(5)，每个光交叉包括2个输入端：第一输入端和第二输入端，还包括2个输出端：第一输出端和第二输出端；所述2个输入分束器为第一输入分束器(1)和第二输入分束器(2)，所述2个输出分束器为第一输出分束器(6)和第二输出分束器(7)；
第一输入分束器(1)的一个输出端通过多模弯曲波导与第一光交叉(3)的一个输入端相连，第一输入分束器(1)的另一个输出端通过多模弯曲波导与第二光交叉(4)的第一输入端相连；第二输入分束器(2)的一个输出端通过多模弯曲波导与第二光交叉(4)的第二输入端相连，第二输入分束器(2)的另一个输出端通过多模弯曲波导与第三光交叉(5)的一个输入端相连；
第一输出分束器(6)的一个输入端通过多模弯曲波导与第一光交叉(3)的一个输出端相连，第一输出分束器(6)的另一个输入端通过多模弯曲波导与第二光交叉(4)的第一输出端相连；第二输出分束器(7)的一个输入端通过多模弯曲波导与第二光交叉(4)的第二输出端相连，第二输出分束器(7)另一个输入端通过多模弯曲波导与第三光交叉(5)的一个输出端相连；
所有多模弯曲波导均包括至少1段多模弯曲波导段(8)。
2.如权利要求1所述的光学混频器，其特征在于：所述多模弯曲波导段(8)的内侧壁圆弧的圆心和外侧壁圆弧的圆心位于不同位置。
3.如权利要求1所述的光学混频器，其特征在于：每个输入分束器的每个输出端和光交叉连接的多模弯曲波导均为1段多模弯曲波导段(8)；每个光交叉的输出端与输出分束器的输入端连接的多模弯曲波导，均至少由2段多模弯曲波导段(8)连接而成。
4.如权利要求3所述的光学混频器，其特征在于：所述每个光交叉的输出端与输出分束器的输入端连接的多模弯曲波导，均由3段多模弯曲波导段(8)连接而成。
5.如权利要求1所述的光学混频器，其特征在于：每个光交叉位于同一位置的夹角，均为多模弯曲波导段(8)中心线的弯曲角度的2倍。
6.如权利要求1至5任一项所述的光学混频器，其特征在于：每段多模弯曲波导段(8)的2端均设置有直波导(9)。
7.如权利要求1至5任一项所述的光学混频器，其特征在于：每个输入分束器的所有输入端之处、以及每个输出分束器的所有输出端之处，均设置有直波导(9)。
8.如权利要求1至5任一项所述的光学混频器，其特征在于：2个输入分束器分别为1×2分束器和2×2分束器。
9.如权利要求1至5任一项所述的光学混频器，其特征在于：每个输入分束器和输出分束器均可选用多模干涉仪或定向耦合器。
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