微环谐振腔谐振器型的双偏振多波长的相干探测接收器

摘要

本发明公开了一种微环谐振腔谐振器型的双偏振多波长的相干探测接收器。包括第一输入波导、第二输入波导和多个波长通道接收单元；第一输入波导和第二输入波导平行排列，第一输入波导和第二输入波导之间沿波导方向间隔依次设有多个波长通道接收单元；每个波长通道接收单元包括沿第一输入波导方向依次布置的TE偏振波长通道接收组和TM偏振波长通道接收组；第一输入波导和第二输入波导分别输入信号光和本地光，依次经各个波长通道接收单元对不同波长的信号光进行下载接收。本发明可用于偏振复用、波分复用的多通道相干光通信系统，无须使用偏振分束器、偏振旋转器等，避免了波导交叉。具有结构简单、通道数易于拓展、高消光比等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种光通信接收技术，尤其是涉及了一种微环谐振腔谐振器型 的双偏振多波长的相干探测接收器，适用于偏振复用多载波的相干光通信系统。

背景技术

随着互联网、移动通信技术的快速发展，对于光通信系统的带宽容量要求 越来越高。波分复用技术实现了单根光纤多波长通道的传输，有效的增加了光 传输的容量。随着掺铒光纤放大器的发明，在光通信网络中得到快速的普及和 发展。相干探测技术在波分复用技术的基础上可有效的提高频谱的利用效率， 进一步的提高光传输的带宽，近来受到了广泛的关注。随着通信通道数量的增 加，光网络中光发射模块和光接收模块的元件数量越来越多，成本越来越高， 同时系统的功耗也逐渐增加。如何实现低成本、低功耗、多通道、高谱效率、 长距离的光通信系统成为人们追求的目标。集成光学可在平面上实现光束的限 制和传输，实现多个功能器件的小型化、集成化，大批量的生产还可有效的降 低器件的成本，同时也显著的降低了器件的功耗。

多种片上相干接收系统实现了应用，如单载波单偏振的双相位的相干接收 器、单载波双偏振双相位的相干接收器、多载波直接探测接收器以及多载波的 差分接收器。目前100G的高速光接收模块已经商用，大多都是基于相干探测的 单载波偏振复用的正交相移键控(PDM-QPSK)调制码技术。为了进一步的提 高传输速率，多波长相干光通信技术有望成为突破下一代超100G的主要技术。

然而，目前鲜有单片集成的多波长相干探测接收器的报道。一般光接收器 需要不同波长信号的本地光以及偏振分束器将不同偏振的信号光和本地光分离 分别探测。随着通道数的增加光波导间存在很多交叉，使得整个集成芯片系统 非常复杂，同时也增加了系统相位控制的难度。文献【Doerr,C.R.；Zhang,L.； Winzer,P.J.,"MonolithicInPMultiwavelengthCoherentReceiverUsingaChirped ArrayedWaveguideGrating,"LightwaveTechnology,Journalof,vol.29,no.4, pp.536,541,Feb.15,2011】提出一种采用基于阵列波导光栅的结构实现了双偏振4 个波长通道的接收，阵列波导光栅同时作为解复用器、偏振分束器和90°的混合 器，避免了波导间的交叉。然而，该结构的设计复杂、器件尺寸大、通道插损 大，而且波长通道的拓展性较差。因此，亟需发展一种结构简单、易于拓展的 多波长相干探测接收器。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于微环谐振 腔阵列的双偏振多波长相干探测接收器，结构简单、通道易于拓展，可实现双 偏振多波长相干光通信技术，从而显著增加光通信链路传输容量。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括第一输入波导、第二输入波导和多个波长通道接收单元；第一 输入波导和第二输入波导平行排列，第一输入波导和第二输入波导之间沿波导 方向间隔依次设有多个波长通道接收单元；每个波长通道接收单元包括沿第一 输入波导方向依次布置的TE偏振波长通道接收组和TM偏振波长通道接收组； 第一输入波导和第二输入波导分别输入具有多个波长通道的信号光和本地光， 依次经各个波长通道接收单元分别对TE偏振、TM偏振的不同波长的信号光和 本地光进行下载接收。

所述的TE偏振波长通道接收组包括两个TE偏振的插分型微环谐振腔、TE 偏振的90°混合器和光电平衡探测器阵列，两个TE偏振的插分型微环谐振腔分 别位于第一输入波导和第二输入波导之间的内侧，并分别与第一输入波导和第 二输入波导耦合，两个TE偏振的插分型微环谐振腔之间设有两条平行排列的单 模连接波导，两条单模连接波导与第一输入波导平行，两条单模连接波导输入 到TE偏振的90°混合器中，TE偏振的90°混合器输出端连接到光电平衡探测器 阵列转化为电信号。

所述的两个TE偏振的插分型微环谐振腔分别对TE偏振信号光和本地光接 收并滤波，滤波后的信号光和本地光分别由各自的单模连接波导传送到TE偏振 的90°混合器中进行解调，最后经光电平衡探测器阵列进行光电转换后形成电信 号。

所述的TM偏振波长通道接收组包括两个TM偏振的插分型微环谐振腔、 TM偏振的90°混合器和光电平衡探测器阵列，两个TM偏振的插分型微环谐振 腔分别位于第一输入波导和第二输入波导之间的内侧，并分别与第一输入波导 和第二输入波导耦合，两个TM偏振的插分型微环谐振腔之间设有两条平行排 列的单模连接波导，两条单模连接波导与第一输入波导平行，两条单模连接波 导输入到TM偏振的90°混合器中，TM偏振的90°混合器输出端连接到光电平 衡探测器阵列转化为电信号。

所述的两个插分型微环谐振腔分别对TM偏振信号光和本地光接收并滤波， 滤波后的信号光和本地光分别由各自的单模连接波导传送到TM偏振的90°混合 器中进行解调，最后经光电平衡探测器阵列进行光电转换后形成电信号。

所述的第一输入波导和第二输入波导均为单模波导，分别用于输入不同偏 振的信号光和本地光。

所述的插分型微环谐振腔上均覆有隔离层和金属电极，通过调节加载电极 上的电压来调谐微环谐振腔的工作波长。

所述的两个TE偏振或TM偏振的插分型微环谐振腔具有相同的谐振波长， 而各波长通道接收单元中插分型微环谐振腔的谐振波长以固定通道间隔Δλ_ch等 差排列。

所述的两个TE偏振或TM偏振的插分型微环谐振腔分别与第一输入波导、 第二输入单模波导之间的耦合系数相同。

所述的90°混合器为2×4通道多模干涉器型、2×4通道星型、带有延迟线的 多模干涉器的组合或者带有延迟线的星形组合等。

本发明具有的有益效果是：

本发明通过引入具有不同谐振波长的微环谐振腔阵列，通过创造性地将微 环谐振腔的波长选择性、偏振选择性有效利用起来，从而将TE偏振、TM偏振 的多波长通道有效分离，并将分离后的信号光与本地光各自通过混频器及平衡 探测器进行处理。

本发明无需使用偏振分束器、偏振旋转器等偏振调控器件，使得整个芯片 设计更为简单，同时还避免了波导交叉，有利于减小附加损耗和简化相位控制 等；由于采用微环谐振腔设计，结构简单、波长通道数易于拓展。

附图说明

图1是本发明的实施例示意图。

图2是本发明的工作原理图。

图中：1、第一输入波导，2、第二输入波导。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括第一输入波导1、第二输入波导2和多个波长通道 接收单元；第一输入波导1和第二输入波导2平行排列，第一输入波导1和第 二输入波导2之间沿波导方向间隔依次设有多个波长通道接收单元；每个波长 通道接收单元包括沿第一输入波导1方向依次布置的TE偏振波长通道接收组和 TM偏振波长通道接收组；第一输入波导1和第二输入波导2分别输入有信号光 和本地光，依次经各个波长通道接收单元对不同波长的信号光进行下载接收。

TE偏振波长通道接收组包括两个插分(Add-Drop)型微环谐振腔、TE偏 振的90°混合器和光电平衡探测器阵列，两个插分型微环谐振腔分别位于第一输 入波导1和第二输入波导2之间的内侧，并分别与第一输入波导1和第二输入 波导2耦合，两个插分型微环谐振腔之间设有两条平行排列的单模连接波导， 两条单模连接波导与第一输入波导1平行，两条单模连接波导输入到TE偏振的 90°混合器中，TE偏振的90°混合器输出端连接光电平衡探测器阵列转化为电信 号，光电平衡探测器阵列连接到数字信号处理系统。

两个TE偏振的插分型微环谐振腔分别对TE偏振信号光和本地光接收并滤 波，滤波后的信号光和本地光分别由各自的单模连接波导传送到TE偏振的90° 混合器中进行解调，最后经光电平衡探测器阵列进行光电转换后形成电信号， 最后通过数字信号处理系统将模数转换对信号的失真和损伤进行处理还原信 号。

TM偏振波长通道接收组包括两个TM偏振的插分型微环谐振腔、TM偏 振的90°混合器和光电平衡探测器阵列，两个TM偏振的插分型微环谐振腔分别 位于第一输入波导1和第二输入波导2之间的内侧，并分别与第一输入波导1 和第二输入波导2耦合，两个TM偏振的插分型微环谐振腔之间设有两条平行 排列的单模连接波导，两条单模连接波导与第一输入波导1平行，两条单模连 接波导输入到TM偏振的90°混合器中，TM偏振的90°混合器输出端连接到光 电平衡探测器阵列转化为电信号，光电平衡探测器阵列再连接到数字信号处理 系统。

两个插分型微环谐振腔分别对TM偏振信号光和本地光接收并滤波，滤波 后的信号光和本地光分别由各自的单模连接波导传送到TM偏振的90°混合器中 进行解调，然后经光电平衡探测器阵列进行光电转换，最后通过数字信号处理 系统将模数转换对信号的失真和损伤进行处理还原信号。

第一输入波导1和第二输入波导2均为单模波导。第一输入波导1用于实 现TE、TM偏振的不同波长信号光输入。第二输入波导2用于实现TE、TM偏 振的不同波长本地光输入。

本发明采用的插分型微环谐振腔，上方均各自有隔离层和金属电极。通过 调节加载电极上的电压可调节微环谐振腔的谐振波长，实现不同波长的信号光 和本地光的带通滤波功能。

本发明接收单元中各微环谐振腔、90°混合器、光探测器均通过单模平面光 波导连接。

优选地、每个接收单元中实现同一偏振复用的两个微环谐振腔具有相同结 构设计，即谐振腔腔长、波导宽度、各自与第一输入波导1或第二输入波导2 间的耦合系数均相同。两个微环谐振腔分别实现某一偏振(TE或TM)的波长 λ_n的信号光和本地光的滤波。每个TE或TM偏振90°混合器输出端均连接有光 电平衡探测器和数字信号处理系统。

如图1所示，本发明包括两条输入波导和N个波长通道接收单元(n＝1、2、 3、4…、N)，单模波导1输入TE和TM偏振的多个波长通道(λ₁～λ_N)的信号 光，单模波导2输入TE和TM偏振的多波长通道(λ₁～λ_N)的本地光，其工作 原理如下：

如图1所示，其中第一波长λ₁通道接收单元：波长为λ₁的TE、TM偏振信 号光经由单模波导输入，由微环谐振腔11实现TE偏振的波长λ₁的滤波，由微 环谐振腔12实现TM偏振的波长λ₁的滤波，使得波长为λ₁的TE、TM偏振信号 光分别从相应微环谐振腔下载端口、并分别经由单模连接波导o11和单模连接 波导o12下载传输至各自的TE、TM偏振90°混合器中；类似的，TE、TM偏 振本地光经由单模波导输入，由微环谐振腔13实现TE偏振的波长λ₁的滤波， 由微环谐振腔14实现TM偏振的波长λ₁的滤波，使得波长为λ₁的TE、TM偏振 信号光分别从相应微环谐振腔下载端口、并分别经由单模连接波导o13和单模 连接波导o14下载传输至各自的TE偏振、TM偏振90°混合器中。

如图1所示，其中第n波长λ_n通道接收单元：波长为λ_n的TE、TM偏振信 号光经由单模波导输入，由微环谐振腔n1实现TE偏振的波长λ_n的滤波，由微 环谐振腔n2实现TM偏振的波长λ_n的滤波，使得波长为λ_n的TE、TM偏振信号 光分别从相应微环谐振腔下载端口、并分别经由单模连接波导on1和单模连接 波导on2下载传输至各自的TE、TM偏振90°混合器中；类似的，TE、TM偏 振本地光经由单模波导输入，由微环谐振腔n3实现TE偏振的波长λ_n的滤波， 由微环谐振腔n4实现TM偏振的波长λ_n的滤波，使得波长为λ_n的TE、TM偏振 信号光分别从相应微环谐振腔下载端口、并分别经由单模连接波导on3和单模 连接波导on4下载传输至各自的TE、TM偏振90°混合器中。

其中在第n个接收单元：

第n1个插分型微环谐振腔同信号光输入波导1相靠近，发生倏逝波耦合。 微环谐振腔半径为R_n，将TE偏振波长λ_n的信号光耦合到微环谐振腔中，经位 于微环谐振腔另一侧耦合区的单模波导on1耦合输出，并连接到TE偏振的90° 混合器的输入端口。

第n2个插分型微环谐振腔同信号光输入波导1相靠近，发生倏逝波耦合。 微环谐振腔半径为R_n'，将TM偏振波长λ_n的信号光耦合到微环谐振腔中，经位 于微环谐振腔另一侧耦合区的单模波导on2耦合输出，并连接到TM偏振的90 °混合器的输入端口。

第n3个插分型微环谐振腔同本地光输入波导2相靠近，发生倏逝波耦合。 微环谐振腔半径为R_n，将TE偏振波长λ_n的本地光耦合到微环谐振腔中，经位 于微环谐振腔另一侧耦合区的单模波导on3耦合输出，并连接到TE偏振工作的 90°混合器的输入端口。

第n4个插分型微环谐振腔同本地光输入波导2相靠近，发生倏逝波耦合。 微环谐振腔半径为R_n'，将TM偏振波长λ_n的本地光耦合到微环谐振腔中，经位 于微环谐振腔另一侧耦合区的单模波导on4耦合输出，并连接到TM偏振工作 的90°混合器的输入端口。

如图2所示，各接收单元中各个微环谐振腔的自由频谱范围需要大于通道 数量和相邻通道波长间隔的乘积。为此，可以采用弯曲半径较小(如～3μm)的 微环谐振腔或者级联微环谐振腔的方式。为了降低偏振串扰，微环谐振腔应具 有较大的双折射效应，使得微环谐振腔具有较大的偏振相关波长(PDλ，即两个 偏振的谐振波长相隔)。其PDλ应大于通道数量和相邻通道的波长间隔的乘积， 保证所有通道不受其它通道相邻级次谐振波长的影响。微环谐振腔的宽度应由 所需的双折射大小来决定。为了TE、TM偏振的光谱响应曲线大致相同，TE、 TM偏振谐振腔与输入波导的耦合系数应大致相同，为此TE、TM偏振的微环 谐振腔耦合区应选取不同的波导间距。微环谐振腔上方可通过调节金属电极上 的电压来调谐各个微环谐振腔的谐振波长，使之与预期值对准。

下面给出本发明的具体实施例，主要以第n个接收单元为例进行说明：

第n1微环谐振腔和输入信号光的单模波导1相靠近发生倏逝波耦合，微环 谐振腔为单模波导，半径为R_n，微环谐振腔的谐振波长为λ_n，TE偏振的波长为 λ_n的光耦合到n1微环谐振腔中。通过微环谐振腔谐振后在微环谐振腔另一侧耦 合到单模波导on1，并输入到TE偏振的90°混合复用器的输入端口。其中单模 波导on1与输入波导1相平行放置。

第n2微环谐振腔和输入本地光的单模波导2相靠近发生倏逝波耦合，微环 谐振腔为单模波导，半径为R_n，微环谐振腔的谐振波长为λ_n，TE偏振的波长为 λ_n的光耦合到n2微环谐振腔中。通过微环谐振腔谐振后在微环谐振腔另一侧耦 合到单模波导on2，并输入到TE偏振的90°混合复用器的输入端口。其中单模 波导on2与输入波导2相平行放置。

第n3微环谐振腔和输入信号光的单模波导1相靠近发生倏逝波耦合，微环 谐振腔为单模波导，半径为R_n'，微环谐振腔的谐振波长为λ_n，TM偏振的波长 为λ_n的光耦合到on3微环谐振腔中。通过微环谐振腔谐振后在微环谐振腔另一 侧耦合到单模波导on3，并输入到TM偏振工作90°混合复用器的输入端口。其 中单模波导on3与输入波导1相平行放置。

第n4微环谐振腔和输入本地光的单模波导2相靠近发生倏逝波耦合，微环 谐振腔为单模波导，半径为R_n'，微环谐振腔的谐振波长为λ_n'，TM偏振的波长 为λ_n'的光耦合到n4微环谐振腔中。通过微环谐振腔谐振后在微环谐振腔另一侧 耦合到单模波导4n，并输入到TM偏振工作90°混合复用器的输入端口。其中 单模波导4n与输入波导2相平行放置。

第n个接收单元中微环谐振腔n1和n3的弯曲半径、波导宽度相同，微环 谐振腔n1同单模波导1的耦合系数与微环谐振腔n3同单模波导2间的耦合系 数大致相同，微环谐振腔n1和微环谐振腔n3分别实现TE偏振的波长为λ_n的信 号光和本地光的滤波。

第n个接收单元中微环谐振腔n2和n4的弯曲半径、波导宽度相同，微环 谐振腔n2同单模波导1的耦合系数与微环谐振腔n4同单模波导2间的耦合系 数大致相同，微环谐振腔n2和微环谐振腔n4分别实现TM偏振波长λn的信号 光和本地光的滤波。

由此可见，本发明利用结合了具有不同谐振波长的微环谐振腔阵列的波长 选择和偏振选择，不使用偏振调控器件，芯片设计简单，避免了波导交叉，波 长通道数易于拓展，具有突出显著的技术效果。