CN1258100C - 基于微光学和平面波导技术的mz外调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其基本概念是以两个偏振态的合波与分波来代替从前的波导型Y分支合波与分波。光分束器和光合束器是在平面波导外采用偏振态的光分束器和光合束器，输入、输出端采用微光学器件。光输入端由单芯准直器和1/4波片组成，光输出端由光偏振器件和准直器组成。光分、合束器由一块双折射晶体、一个半波片和一个双芯准直器依次组成，或由一个组合棱镜PBS(偏振分束器)侧加一个45°全反射棱镜和一个半波片及一个双芯准直器组成。或者用一个屋脊棱镜加一个单芯准直器代替双芯准直器。还可以在光合束器内进行偏振模式的补偿。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，是光通信***，特别是长途干线光通信***中的一种关键器件。
背景技术
MZ(马赫泽德)型铌酸锂LiNbO3外调制器是光通信***，特别是长途干线光通信***中的一种关键器件。相对于直接调制模式，光源的有效线宽大大降低，从而可以实现长距离无误码传输。近年来随着高速、长距离光网络的迅猛发展，采用外调制器的光源比例已超过40％，从全球产销额的角度来讲，它已成为在光通信器件行业中，仅次于激光器的另一种重要产品。
图1给出了传统的LiNbO3外调制器基本结构，如图所示：其输入及输出波导两端是Y分支结构。在这两个Y分支结构处的夹角一般都小于3°，目的是降低分叉插损。在小角度的情况下，两个主要波导支路(又叫调制器的两个臂)要达到足够的分开距离，两边的Y分支结构实际上要有足够的长度。LiNbO3波导越长，波导传输损耗自然也越大。很明显在小角度和波导总长度两方面有一个权衡利弊的最优化设计。但无论如何，该Y分支结构是限制传统的MZ调制器***损耗进一步改进的一个主要原因。另一方面，LiNbO3波导越长，不仅意味着体积越大，而且也意味着成本越高。因为LiNbO3波导的衬底表面必须十分平滑，否则波导的传输损耗会很高。整个波导越长，对加工平滑的表面要求就越难，成本也就越高。
发明内容
本发明提出了一种全新的设计方案，其目的是降低LiNbO3外调制器的***损耗，降低产品的成本，并且有利于两波导分支上分别加调制信号。
本发明的技术方案：本发明的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，包括光输入端、光分束器、平面波导、光合束器、光输出端，平面波导包括波导衬底，位于波导衬底两个臂上的用于改变在两波导中平行传输的两束相干光的相对相位的偏置电极和信号电极，光输入端线偏振光经一个准直器输出后先穿过一个1/4波片，使之成为一束圆偏振光，该圆偏振光经过光分束器均匀地***为P偏振和S偏振两束光，两束光分别穿过一块1/2波片使之具有同样的偏振态，再用准直器将这两束光聚焦进入两条平行波导，两束光从波导输出后再用准直器将两束光转变为平行光，两平行光束经一块1/2波片又还原成两束相互垂直的偏振光，两偏振光经光合束器后输出，输出端口两束光相位同步，用准直器将光束聚焦输出。
所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其光分束器是一块双折射晶体，光合束器也是一块双折射晶体。
所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其光分束器是由一个偏振分光PBS立方体的一侧加一个全反射棱镜，全反射棱镜的反射面与偏振分光PBS立方体的该侧面成45°夹角，夹角朝向光输出端，全反射棱镜和偏振分光PBS立方体之后是一个半波片及一个双芯准直器；光合束器依次由一个双芯准直器、一个半波片、一个组合棱镜PBS立方体侧加一个45°全反射棱镜组成，全反射棱镜的反射面与偏振分光PBS立方体的该侧面成45°夹角，夹角朝向光输入端。
所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，光输出端用一块偏振片将两束光在相位同步时的光透过，相位相反时的光完全挡住，再用一个准直器将透过偏振片的光束聚焦进入输出光纤。
所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其光输出端由组合棱镜PBS和两个单芯准直器组成。
所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，光输出端由一个组合棱镜PBS立方体和两个单芯准直器组成。
本发明的优点：
一是***损耗可以大大降低。中国在微光学器件如准直器，双折射晶体，1/4或1/2波片的生产和应用方面多年来已积累了丰富经验(产品大量出口，估计在全球光通信器件行业中，80％以上的此类零部件均由中国制造)。一对准直器(光纤到光纤)的***损耗典型值仅为0.15dB，波片和双折射晶体的***损耗都在0.05dB以下。由此估算，用微光学偏振合波、分波的方法取代Y分支波导结构后，两端的插损加在一起可以控制在0.5dB以内，另一方面有报导数据显示，直条LiNbO3波导在两端与光纤耦合后的***损耗可以控制在0.5dB左右。这样的话，我们的设计有可能将LiNbO3外调制器的总***损耗降低到1dB以内。目前国内外商用LiNbO3外调制器的***损耗一般都在4dB左右。
第二个优点是产品的成本。在去掉了LiNbO3衬底上两端的丫分支结构以后，LiNbO3波导片的总长度可以减少1/4～1/2。这样不仅因为LiNbO3晶体的成本大大下降，而且因为成品率可以大大提高，从而使得产品的成本可望明显降低。虽然另一方面，增加两对准直器和两块双折射晶体也会有一定成本，但相对于LiNbO3波导片的成本来讲，这些开支只是一小部分。
第三，在该结构中，两波导之间的间距基本上任意可调。这对于在两波导分支上分别加调制信号特别有利。事实上，分别驱动工作模式对于实现啁啾系数可调特别重要。啁啾的物理含义是随时间变化的相位。一般来说，对称结构及推挽驱动工作模式只能够实现零啁啾的强度调制。但是在实际***中，具有负的啁啾系数，可以对光纤色散进行一些预补偿的LiNbO3调制器更受***工程师的欢迎。第四，即使在输出端口仅仅采用一片偏振片，该调制器的消光比也可以达到40dB，比现在一般商用的同类产品要明显超出。采用两层偏振片，则会有更加超常的效果。
附图说明
图1给出了传统的LiNbO3外调制器基本结构；
图2是本发明新型LiNbO3外调制器基本结构的立体图；
图3是LiNbO3波导芯片基本结构的俯视图；
图4是新型LiNbO3外调制器基本结构及光路的俯视图；
图5是两束光在同相位时形成两束相互垂直的线偏振态的说明图；
图6是两束光在反相位时形成两束相互垂直的线偏振态的说明图；
图7是第二种实施例LiNbO3外调制器基本结构及光路的俯视图；
图8是第三种实施例LiNbO3外调制器基本结构及光路的俯视图；
图9、图10是有两个输出端口的新型LiNbO3外调制器实施例；
图11是从两个输出端口输出的光信号的振幅和相位关系图；
具体实施方式
本发明的基本结构如图2所示，其基本概念是以两个偏振态的合波与分波来代替从前的波导型Y分支合波与分波。具体结构和原理详述如下：图4是新型LiNbO3外调制器基本结构及光路的俯视图，从光源13输出的光束近似为线偏振光7，经一个准直器6输出后先穿过一个1/4波片5，使之成为一束圆偏振光，该圆偏振光经过一块双折射晶体4后可以均匀地***为P偏振和S偏振两束光，两束光分别穿过一块1/2波片3和一块透明玻璃后，具有同样的偏振态，用一个双芯准直器2将这两束光聚焦进入两条平行波导1；两束光从LiNbO3波导1输出后再用一个双芯准直器8将两束光转变为平行光，两平行光束经一块透明玻璃和一块1/2波片9又还原成两束相互垂直的偏振光。两偏振光经一块双折射晶体10后，可以合束输出。在输出端口用一块偏振片11可以让两束光在相位同步时的光透过。相位相反时的光完全挡住。调整波导两个臂上偏置电极和信号电极上的电压就可以实现强度调制的功能。最后再用一个准直器12将透过偏振片的光束聚焦进入输出光纤。
图1是LiNbO3外调制器基本结构：波导衬底1-1可以是X切或Z切LiNbO3晶体衬底。位于波导两个臂上的偏置电极1-4和信号电极1-3。1-2是Ti扩散波导。
图3是LiNbO3波导芯片基本结构的俯视图：位于波导1衬底两个臂上有用于改变在两波导中平行传输的两束相干光的相对相位的偏置电极1-4、-1-4和信号电极1-3、-1-3。
图5是加信号后S、P两束光在同相位时形成两束相互垂直的线偏振态，虚线箭头为合成后相位；图6是加信号前S、P两束光在反相位时形成两束相互垂直的线偏振态，虚线箭头为合成后相位。
图7是第二种实施例LiNbO3外调制器基本结构及光路的俯视图：与图4所示实施例相比，双折射晶体4被一个PBS立方体4-1和一个45°全反射棱镜4-2取代，双折射晶体10被一个PBS立方体10-1和一个45°全反射棱镜10-2取代；准直器6、1/4波片5、1/2波片3、双芯准直器2、波导1、双芯准直器8、1/2波片9、偏振片11、准直器12的作用与图4相同。PBS立方体是一种人工材料，体积很小，由两块4面体棱镜组成，一般来说，价格要低于双折射晶体。
图8是第三种实施例LiNbO3外调制器基本结构及光路的俯视图：该设计中，双芯准直器2被一个单芯准直器2-1加一个屋脊棱镜2-2取代。双芯准直器8被一个单芯准直器8-1加一个屋脊棱镜8-2取代。准直器6、1/4波片5、双折射晶体4、1/2波片3、波导1、1/2波片9、双折射晶体10、偏振片11、准直器12的作用与图4相同。由于单芯准直器是一种大量采用的标准产品，所以价格很低，质量有保证。而双芯准直器可能需要单独定制，所以价格可能会高一些。采用单芯准直器的缺点是两波导分支间的间距不能太大。
本发明的设计思想可以进一步拓宽以实现其他一些功能。图9、图10是有两个输出端口的新型LiNbO3外调制器实施例：
图9是用一个组合棱镜PBS(偏振分束器)取代原来的偏振片，就可以在两个输出端口得到光强度一样、但振幅刚好反相的两个输出。
准直器6、1/4波片5、1/2波片3、双芯准直器2、波导1、双芯准直器8、1/2波片9、双折射晶体10的作用与图4相同。偏振片11和单芯准直器12用一个组合棱镜PBS14和两个单芯准直器13-1、13-2(偏振分束器)取代，在两个输出端口得到光强度一样、但振幅刚好反相的两个输出15-1、15-2。
图10是用一个组合棱镜PBS立方体取代原来的偏振片，就可以在两个输出端口得到光强度一样，但振幅刚好反相的两个输出。
准直器6、1/4波片5、1/2波片3、双芯准直器2、波导1、双芯准直器8、1/2波片9、双折射晶体10的作用与图4相同。偏振片11和单芯准直器12用一个组合棱镜PBS立方体14-1和两个单芯准直器13-1、13-2取代，就可以在两个输出端口得到光强度一样，但振幅刚好反相的两个输出。
图11是从两个输出端口输出的光信号的振幅和相位关系图。
这两种器件在用作强度调制器时，I为光强度，T为时间，两个输出端口13-1、13-2。第二个输出端口可以用来留作备份光源，实现光***的保护功能。只是在接收端需要作一点反相处理。第二个输出端口的光也可以用作监控信号。它的光强将大大高于以前用5％耦合器取出的监控信号。
更为重要的是，图9、10所示的结构实际上也是一种新型的1×2高速光开关，它的开关速度可以达到甚至优于100ns，因此特别适合于今后全光网络中宽带光信号的直接光交换。
最后，采用MZ原理制作外调制器时，人们不仅可以选用LiNbO3材料，也可以选用GaAs，InP等其他III-V族半导体材料，对于在波导中传输的光束进行相位调制时的原理前者是材料的电光效应，后者是电吸收效应。不涉及具体的相位调制机制，无论对哪一种衬底材料，均可适用。
综上所述，基于本发明的设计思想，在具体结构及选用的元件及其组合方面，可以有很多不同的变化，并可以进一步拓宽以实现其他一些功能，均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，包括光输入端、光分束器、平面波导、光合束器、光输出端，平面波导包括波导衬底，位于波导衬底两个臂上的用于改变在两波导中平行传输的两束相干光的相对相位的偏置电极和信号电极，其特征在于：光输入端线偏振光经一个准直器输出后先穿过一个1/4波片，使之成为一束圆偏振光，该圆偏振光经过光分束器均匀地***为P偏振和S偏振两束光，两束光分别穿过一块1/2波片使之具有同样的偏振态，再用准直器将这两束光聚焦进入两条平行波导，两束光从波导输出后再用准直器将两束光转变为平行光，两平行光束经一块1/2波片又还原成两束相互垂直的偏振光，两偏振光经光合束器后输出，输出端口两束光相位同步，用准直器将光束聚焦输出。
2.根据权利要求1所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其特征在于：光分束器是一块双折射晶体，光合束器也是一块双折射晶体。
3.根据权利要求1所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其特征在于：光分束器是由一个偏振分光PBS立方体的一侧加一个全反射棱镜，全反射棱镜的反射面与偏振分光PBS立方体的该侧面成45°夹角，夹角朝向光输出端，全反射棱镜和偏振分光PBS立方体之后是一个半波片及一个双芯准直器；光合束器依次由一个双芯准直器、一个半波片、一个组合棱镜PBS立方体侧加一个45°全反射棱镜组成，全反射棱镜的反射面与偏振分光PBS立方体的该侧面成45°夹角，夹角朝向光输入端。
4.根据权利要求1或2所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其特征在于：光输出端用一块偏振片将两束光在相位同步时的光透过，相位相反时的光完全挡住，再用一个准直器将透过偏振片的光束聚焦进入输出光纤。
5.根据权利要求1或2所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其特征在于：光输出端由组合棱镜PBS和两个单芯准直器组成。
6.根据权利要求1或2所述的基于微光学和平面波导技术的MZ外调制器，其特征在于：光输出端由一个组合棱镜PBS立方体和两个单芯准直器组成。
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