基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环形器

摘要

本发明公开一种基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环行器，其特征在于包括第一偏振模式分离器(1)和第二偏振模式分离器(2)，两个偏振模式分离器之间设置了相互连接的波导型法拉第旋转镜(3)和半波片(4)，所述第一偏振模式分离器(1)和第二偏振模式分离器(2)分别包括第一光功分器(5)、第二光功分器(6)、第一磁光波导(7)、第二磁光波导(8)。本发明的有益效果在于结构简单、容易集成，相对于分离相位调节器而言，大大降低了插入损耗；低插损，高带宽且偏振不敏感，易于和光通信系统集成；有效降低了偏振串音。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环行器，尤其涉及一种基于马赫一曾德型集成波导偏振模式分离器的光环形器，属于光通信应用领域和集成光学领域。

背景技术

磁光材料在外加磁场作用下，会对经过其中的偏振光的偏振态产生影响，即产生法拉第磁光效应。而对于横向构型的磁光波导，在与光传播方向垂直的外加磁场的作用下，TM模正向传播及反向传播的传播常数有所不同，因而会产生非互易相移，利用磁光材料的非互易特性可以制作光环形器，光隔离器等器件。

TE-TM偏振模式分离器用以将波导中偏振态垂直的TE(横电场)、TM(横磁场)模式分开，在光纤通信系统和光纤传感系统中扮演重要角色，基于偏振模式分离器可以构成光开关、光隔离器、光环形器、声光可调谐滤波器、滤波器等器件，在WDM(Wavelength Division Multiplexing，波分复用)光网络及相干光检测等各种光通信应用领域中有重要应用。

目前，已有多种不同结构的TE-TM偏振模式分离器。采用特殊折射率材料玻璃及多层膜的胶合工艺可以制成偏振分束棱镜，对不同偏振光分别进行投射和反射，可以实现偏振束的分离。但偏振分束棱镜构成的偏振束分离器型偏振模式分离器不利于与波导及光通信系统集成，同时，对棱镜及多层膜的胶合工艺要求较高。基于耦合模原理设计的定向耦合器型偏振模式分离器利用两个分支波导的非对称性来实现，在一个分支波导的耦合区覆盖了金属层，有效地改变波导传播常数的实部和虚部，而且对TM模的这种改变远大于TE模，利用覆盖金属层的分支波导对TM模的吸收来抑制TM模的耦合，从而实现TE、TM模的分离。但这种结构需要特殊工艺来减小TM的损耗和偏振串音，并且要求耦合器波导间有很大的间距，不利于集成。Y分支型偏振模式分离器由于分支角较小，不仅加工精度要求较高，而且器件尺寸较大，不利于集成。

光环形器是光通信系统的重要组成部分，在WDM系统中扮演着重要的角色，而波导型光环形器因为低价位和易于集成的特性，成为研究热点。大多数波导型光环形器只工作于TM模，而偏振无关光环形器对输入光的模式无要求，既可以工作于TM模，也可以工作于TE模。

目前，波导型偏振无关光环形器多基于Y分支和定向耦合器等类型，少数采用光子晶体、闪耀光栅等器件实现。由于Y分支型、定向耦合器型等结构上的特点，器件尺寸较大，不利于光环形器结构的集成。

磁光材料在外加磁场作用下，会对经过其中的偏振光的偏振态产生影响，即产生法拉第磁光效应。而对于横向构型的磁光波导，在与光传播方向垂直的外加磁场的作用下，TM模正向传播及反向传播的传播常数有所不同，因而会产生非互易相移，而对TE模则无此影响。

采用两个光功分器及夹在光功分器之间的两个相移臂可构成马赫-曾德型偏振模式分离器，目前，功分器多采用定向耦合器来实现，但不利于集成。多模干涉(MMI)耦合器因为其结构简单，低插损，高带宽和偏振不敏感的特性获得了越来越多的关注，其结构紧凑的优点在集成光学中有广泛的应用。

发明内容

本发明针对上述问题提供一种基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环行器，以马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器为基础，结合法拉第旋转镜(FR)及半波片(Hw)来实现。

本发明采用如下技术方案：

一种基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环行器，其特征在于包括第一偏振模式分离器和第二偏振模式分离器，两个偏振模式分离器之间设置了相互连接的波导型法拉第旋转镜和半波片，所述第一偏振模式分离器和第二偏振模式分离器分别包括第一光功分器、第二光功分器、第一磁光波导和第二磁光波导，第一光功分器的两个输入端口分别与其第一输入波导和第二输入波导连接，用于输入正向传输光或输出反向传输光，所述第一磁光波导、第二磁光波导采用横向构型磁光波导，所述第一磁光波导构成第一相位调节单元，所述第二磁光波导构成第二相位调节单元，第一相位调节单元和第二相位调节单元对TM模产生的相位移相差π，对TE模产生的相位移相等，第一光功分器的两个输出端口分别通过第一相位调节单元和第二相位调节单元与第二光功分器的两个输入端口连接，第二光功分器的两个输出端口分别与其第一输出波导和第二输出波导连接，用于输出正向传输光或输入反向传输光。

优选地，所述第一光功分器、第二光功分器采用多模干涉仪。

优选地，所述第一磁光波导、第二磁光波导分别采用在相反方向的磁场作用下对正向传输光的TM模分别产生-π/2相位移、π/2相位移，对反向传输光的TM模分别产生π/2相位移、-π/2相位移，而对正、反向传输光的TE模均产生相等相位移的横向构型磁光波导。

优选地，所述波导型法拉第旋转镜采用能使相位顺时针偏转π/4的非互易波导型法拉第旋转镜，所述半波片采用慢轴方向与水平方向夹角为π/8的半波片。

本发明采用两个马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器结合波导型法拉第旋转镜及半波片来实现波导型偏振无关光环形器。其中，马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器采用两个光功分器、两个非互易横向构型磁光波导构成。TM模的相位在与光传播方向垂直的磁场作用下产生非互易相位变化，结合波导自身长度产生的互易相位变化，从而与TE模在不同输出端口干涉相长，最终实现模式分离。

对于横向构型的磁光波导，外加磁场与光传播方向垂直，对应的介电张量为：

$\widehat{ϵ}=\left(\begin{array}{ccc}{ϵ}_{\mathrm{xx}}& 0& {\mathrm{iϵ}}_{\mathrm{xz}}\\ 0& {ϵ}_{\mathrm{yy}}& 0\\ -i{ϵ}_{\mathrm{xz}}& 0& {ϵ}_{\mathrm{zz}}\end{array}\right)$

介电张量的非对角元会耦合电磁场在x、y、z轴上的分量，由于εxy、εyz都为0，只有εxz存在，并耦合电磁场在x轴及z轴上的分量，从而使沿x轴方向的TM模的相位发生改变，而对沿y轴方向的TE模不产生影响。εxz与法拉第旋转角θ_F之间的关系为：εxz＝2nθ_F/k₀，其中，n为薄膜折射率，k₀为真空中波数。εxz会导致TM模在正、反向传输时，传播常数有所不同，从而产生非互易相移＝Δβ·L，其中L为TM模在磁光波导中的传输长度，Δβ为传播常数的差，显然，在正向传输和反向传输时，TM模会产生大小相等，符号相反的相位改变量。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用两个马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器结合波导型法拉第旋转镜及半波片来实现波导型偏振无关光环形器，其中，采用两个光功分器、两个非互易横向构型磁光波导构成的马赫-曾德型4端口偏振模式分离器，可以实现TE、TM模的分离及合成，从而容易构成4端口环形器，结构简单。偏振模式分离器采用易于与半导体器件集成的磁光材料实现相位的调节，容易集成，相对于分离相位调节器而言，大大降低了插入损耗。

2.本发明中采用多模干涉仪作为马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器的功分器，结构简单，低插损，高带宽且偏振不敏感，易于和光通信系统集成。

3.本发明采用的偏振模式分离器避免了使用3dB耦合器、Y分支等结构所带来的体积大、分支角不容易控制等缺点，体积小，容易制造。

4.本发明采用的偏振模式分离器避免了采用金属覆盖层结构改变TM模的耦合状态所带来的制造工艺上的困难，降低了偏振串音。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

图1：本发明基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环行器结构示意图；

图2：本发明采用的马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环行器，包括第一偏振模式分离器1和第二偏振模式分离器2，两个偏振模式分离器之间设置了相互连接的波导型法拉第旋转镜3和半波片4。第一偏振模式分离器1和第二偏振模式分离器2采用马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器。波导型法拉第旋转镜3采用能使相位顺时针偏转π/4的非互易波导型法拉第旋转镜，半波片4采用慢轴方向与水平方向夹角为π/8的半波片。第一偏振模式分离器1的两输出端口与波导型法拉第旋转镜3的两输入端口相连，波导型法拉第旋转镜3的两输出端口与半波片4的两输入端口相连，半波片4的两输出端口与第二偏振模式分离器2的两输入端口相连。

基于偏振模式分离器的波导型偏振无关光环行器的工作原理如下：

对于正向传输光(按图1中从左向右的方向定义)，光从第一偏振模式分离器1的输入端口输入，经过第一偏振模式分离器1以后分成TM、TE模，顺次经过波导型法拉第旋转镜3及半波片4后相互转换，TM模变成TE模，而TE模变成TM模，再经过第二偏振模式分离器2耦合后输出，实现交叉态传输。即，若光从第一偏振模式分离器1的端口101输入，则从第二偏振模式分离器2的端口202输出，若光从第一偏振模式分离器1的端口102输入，则从第二偏振模式分离器2的端口201输出。

对于反向传输光(按图1中从右向左的方向定义)，光从第二偏振模式分离器2的输入端口输入，经过第二偏振模式分离器2以后分成TM、TE模，顺次经过半波片4及波导型法拉第旋转镜3后，TM模、TE模保持不变，再经过第一偏振模式分离器1耦合后输出，实现直通态传输。即，若光从第二偏振模式分离器2的端口201输入，则从第一偏振模式分离器1的端口101输出，若光从第二偏振模式分离器2的端口202输入，则从第一偏振模式分离器1的端口102输出。

如图2所示为本发明采用的马赫-曾德型集成波导偏振模式分离器结构示意图，包括第一光功分器5、第二光功分器6、第一磁光波导7和第二磁光波导8。第一光功分器5的两个输入端口分别与其第一输入波导501和第二输入波导502连接，用于输入正向传输光或输出反向传输光。第一磁光波导7、第二磁光波导8采用横向构型磁光波导，第一磁光波导7构成第一相位调节单元，第二磁光波导8构成第二相位调节单元。第一光功分器5的两个输出端口分别通过第一相位调节单元和第二相位调节单元与第二光功分器6的两个输入端口连接，第二光功分器6的两个输出端口分别与其第一输出波导601和第二输出波导602连接，用于输出正向传输光或输入反向传输光。通过选择合适的磁光波导长度，可使第一相位调节单元和第二相位调节单元对TM模产生的相位移相差π，对TE模产生的相位移相等，使TM模在该偏振模式分离器中实现直通态传输，而TE模实现交叉态传输，从而实现TM模和TE模的分离。

更具体地，本实施方式采用如下连接方式：第一光功分器5的两个输出端口分别与第一磁光波导7、第二磁光波导8的输入端口连接，第一磁光波导7、第二磁光波导8的输出端口分别与第二光功分器6的两个输入端口连接。

本实施方式中，第一光功分器5、第二光功分器6均采用多模干涉仪。通过选择合适的磁光波导长度，第一磁光波导7、第二磁光波导8在相反方向的磁场作用下对正向传输光的TM模分别产生-π/2相位移、π/2相位移，对反向传输光的TM模分别产生π/2相位移、-π/2相位移，而对正、反向传输光的TE模均产生相等相位移的横向构型磁光波导。即：正向传输光的TM模在经过第一磁光波导7、第二磁光波导8时分别产生-π/2相位移、π/2相位移，而其TE模在经过第一磁光波导7、第二磁光波导8时产生相等相位移；反向传输光的TM模在经过第一磁光波导7、第二磁光波导8时分别产生π/2相位移、-π/2相位移，而其TE模在经过第一磁光波导7、第二磁光波导8时产生相等相位移。

该偏振模式分离器的工作原理如下：

对于正向传输光(按图2中从左向右的方向定义)，第一磁光波导7在外加磁场的作用下使TM模产生-π/2相位移，第二磁光波导8在相反方向的外加磁场作用下使TM模产生π2相位移，则第一磁光波导7构成的第一相位调节单元使TM模改变的相位大小为-π/2，第二磁光波导8构成的第二相位调节单元使TM模改变的相位大小为π/2，两个相位调节单元对于TM模所改变的相位大小相差π，因此TM模在第二光功分器6处实现直通态传输。横向构型磁光波导对TE模相位不产生非互易相移，两个相位调节单元对于TE模所改变的相位大小相等，在第二光功分器6处实现交叉态传输。因此，若光从第一光功分器5的端口501输入，则TM模从第二光功分器6的端口601输出，TE模从第二光功分器6的端口602输出；若光从第一光功分器5的端口502输入，则TM模从第二光功分器6的端口602输出，TE模从端口601输出。

对于反向传输光(按图2中从右向左的方向定义)，第一磁光波导7在外加磁场的作用下使TM模产生π/2相位移，第二磁光波导8在相反方向的外加磁场作用下使TM模产生-π/2相位移，则第一磁光波导7构成的第一相位调节单元和第二磁光波导8构成的第二相位调节单元对于TM模所改变的相位大小相差同样为π，因此TM模在第一光功分器5处实现直通态传输。横向构型磁光波导对TE模相位不产生非互易相移，两个相位调节单元对于TE模所改变的相位大小相等，在第一光功分器5处实现交叉态传输。因此，若光从第二光功分器6的端口601输入，则TM模从第一光功分器5的端口501输出，TE模从第一光功分器5的端口502输出；若光从第二光功分器6的端口602输入，则TM模从第一光功分器5的端口502输出，TE模从端口501输出。