本發(fā)明涉及相干光接收技術(shù)及偏振解復(fù)用技術(shù)，尤其涉及一種集成了偏振旋轉(zhuǎn)分束器及光混頻器的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過將偏振復(fù)用光信號解復(fù)用并轉(zhuǎn)換為同一偏振態(tài)的兩路光束，實現(xiàn)了能對偏振復(fù)用光信號進行無差異混頻的相干光接收機。

背景技術(shù)：

相干光通信系統(tǒng)的發(fā)展大大提高了光通信系統(tǒng)的傳輸速率、傳輸容量和傳輸距離，其成功發(fā)展的關(guān)鍵在于相干接收技術(shù)的應(yīng)用以及與偏振復(fù)用技術(shù)的結(jié)合。針對偏振復(fù)用光信號的相干接收技術(shù)一般采用零差或外差接收方式處理光信號，而偏振分束器及90°光學(xué)混頻器是這兩種方式必不可少的核心組件。在相干接收系統(tǒng)中，偏振復(fù)用光信號經(jīng)過偏振分束器解復(fù)用為兩路單偏振光信號，而后在光學(xué)混頻器中分別與來自本地振蕩源的光束在滿足波前匹配和偏振匹配的條件下進行光學(xué)混頻，從而轉(zhuǎn)換為攜帶幅度、相位等信息的差頻信號。最后，差頻信號在數(shù)字信號處理模塊通過不同算法進行信息提取。

常用的混頻器是基于光波導(dǎo)型多模干涉器(multimodeinterferometer:mmi)來實現(xiàn)，且通過輸入光在mmi中的自映像效應(yīng)實現(xiàn)在mmi輸出端的光學(xué)混頻。但當(dāng)不同偏振態(tài)的光(特別是橫電(transverseelectric:te)模式及橫磁(transversemagnetic:tm)模式)輸入同一個mmi時，由于光波導(dǎo)材料及器件一般均具有雙折射性，所以輸入光在mmi輸出端的成像位置存在差異。因此，mmi的傳輸特性均表現(xiàn)出對輸入光偏振態(tài)的依賴性，從而導(dǎo)致混頻器對不同偏振態(tài)的輸入光表現(xiàn)出的性能存在差異。

在當(dāng)前的相干光接收系統(tǒng)中，提高不同偏振態(tài)光束的光學(xué)混頻性能與提高系統(tǒng)的集成度及降低系統(tǒng)成本存在著一定的矛盾。一方面，如果要實現(xiàn)對te和tm兩種偏振態(tài)光束的最優(yōu)性能的光學(xué)混頻，必須采用分別設(shè)計的不同結(jié)構(gòu)的mmi，這樣就限制了相干接收系統(tǒng)的集成度及產(chǎn)品化。另一方面，如果要采用同一個mmi實現(xiàn)對te和tm兩種偏振態(tài)光束的光學(xué)混頻，就需要增加一個偏振旋轉(zhuǎn)器。這個偏振旋轉(zhuǎn)器將解復(fù)用之后的一路單偏振光束的偏振態(tài)轉(zhuǎn)換為與另一路單偏振光束一致的偏振態(tài)。經(jīng)過這樣的偏振轉(zhuǎn)換，兩路光束可在同一結(jié)構(gòu)設(shè)計的mmi中分別與本地振蕩源的光束進行高性能的光學(xué)混頻。然而，這也提高了相干接收系統(tǒng)的復(fù)雜度及成本。而且，由于平面波導(dǎo)的光軸不易旋轉(zhuǎn)，偏振旋轉(zhuǎn)器的實現(xiàn)比較困難，一般是基于一些制備工藝復(fù)雜的特殊結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。而復(fù)雜的工藝及制備容差也降低了偏振旋轉(zhuǎn)器的傳輸性能并限制了相干光接收系統(tǒng)的集成。因此，如何實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、易于制備的偏振旋轉(zhuǎn)器，以及如何實現(xiàn)其與偏振分束器和混頻器的集成就成為實現(xiàn)高性能、低成本的相干接收系統(tǒng)的過程中亟待解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對上述問題提出一種可實現(xiàn)無差異混頻的相干光接收機，該相干光接收機結(jié)構(gòu)緊湊，不僅可對光學(xué)混頻實現(xiàn)理論上性能的最大優(yōu)化，同時也提高了相干接收系統(tǒng)的集成度并降低了系統(tǒng)成本。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種可實現(xiàn)無差異混頻的相干光接收機，包含兩個混頻器(hybrid:hyb)，分束器(beamsplitter:bs)，光探測器(photodetector:pd)和跨阻放大器(transimpedanceamplifier:tia)，還包括偏振分束旋轉(zhuǎn)器(polarizationsplitter–rotator:psr)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中的偏振分束器和偏振旋轉(zhuǎn)器。具體的工作過程為：信號光從光纖入射，其中包含te模和tm模，經(jīng)過psr后te模式的光保持偏振態(tài)不變，從混頻器(5)的端口1進入，而tm模式的光轉(zhuǎn)換成te模式的光后，從混頻器(6)的端口3進入；本地信號光從光纖入射，其偏振態(tài)僅為te模式，經(jīng)過分束器之后分別輸入混頻器(5)的端口2和混頻器(6)的端口4，分別在混頻器中與解復(fù)用后的信號光進行混頻?；祛l之后從混頻器輸出的光經(jīng)過光探測器的光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號，再經(jīng)過跨阻放大器的放大及差分轉(zhuǎn)換為差頻電信號。

進一步，上述偏振分束旋轉(zhuǎn)器采用基于但不限于模式衍化及模式耦合的方式。

進一步，上述從光纖入射的信號光是偏振復(fù)用光信號，即在同一波長信道中，通過光的兩個相互正交偏振態(tài)同時傳輸兩路信息。

上述偏振復(fù)用信號在經(jīng)過偏振分束旋轉(zhuǎn)器的偏振解復(fù)用后形成兩路處于單一偏振態(tài)的信號，其分別對應(yīng)的兩個混頻器的設(shè)計與實現(xiàn)完全相同。

上述混頻器的實現(xiàn)方式可以有2種：即由4個2分2的多模干涉器或由1個2分4的多模干涉器構(gòu)成。

上述差頻電信號包括攜帶幅度、相位信息的電信號。

與傳統(tǒng)的相干光接收機相比較，本發(fā)明具有如下有益效果：

1，本發(fā)明將pbs和pr的功能用單獨的psr來實現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)的相干接收機對偏振復(fù)用光信號中不同偏振態(tài)光的差異性接收的問題。

2，本發(fā)明提出的相干光接收機結(jié)構(gòu)緊湊，不僅可對光學(xué)混頻實現(xiàn)理論上性能的最大優(yōu)化，同時提高了相干接收系統(tǒng)的集成度并降低了系統(tǒng)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的相干光接收機的結(jié)構(gòu)圖。

圖2為偏振分束旋轉(zhuǎn)器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為分束器結(jié)構(gòu)圖。

圖4為混頻器結(jié)構(gòu)圖，輸入端口為20/22。

圖5為混頻器結(jié)構(gòu)圖，輸入端口為21/19。

圖6為混頻器結(jié)構(gòu)圖，輸入端口為22/20。

圖7為混頻器結(jié)構(gòu)圖，輸入端口為19/21。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)的說明。

本發(fā)明提出的解決方案主要體現(xiàn)在相干接收機中用單獨的偏振分束旋轉(zhuǎn)器(polarizationsplitter–rotator:psr)代替了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的偏振分束器(polarizationbeamsplitter:pbs)和偏振旋轉(zhuǎn)器(polarizationrotator:pr)，以及偏振分束旋轉(zhuǎn)器與混頻器的集成。本發(fā)明的相干接收機通過將偏振復(fù)用光信號解復(fù)用并轉(zhuǎn)換為同一偏振態(tài)的兩路光束，實現(xiàn)了能對偏振復(fù)用光信號進行無差異混頻的相干光接收機。

如圖1所示，相干光接收機包含混頻器(5,6)，分束器，光探測器和跨阻放大器，還包括偏振分束旋轉(zhuǎn)器以代替?zhèn)鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)中的偏振分束器和偏振旋轉(zhuǎn)器。信號光從光纖入射，其中包含te模和tm模(上標(biāo)和下標(biāo)分別為輸入和輸出光的偏振態(tài))。經(jīng)過psr后，te模式的光保持偏振態(tài)不變，從圖中端口1入射到混頻器(5)(hybrid:hyb)；而tm模式的光轉(zhuǎn)換成了te模式的光，從圖中端口3入射到hyb(6)。本地信號光(lo)從光纖入射，其偏振態(tài)僅為te模式，經(jīng)過一個分束器(beamsplitter:bs)之后分別輸入混頻器5的端口2和混頻器(6)的端口4，分別在兩個hyb5和6中與解復(fù)用后的信號光進行混頻?；祛l之后從hyb輸出的光經(jīng)過光探測器(photodetector:pd)的光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號，然后經(jīng)過跨阻放大器(transimpedanceamplifier:tia)的放大及差分轉(zhuǎn)換為攜帶幅度、相位等信息的差頻電信號,xi(x-channel,in-phase),xq(x-channel,quadrature),yi(y-channel,in-phase),yq(y-channel,quadrature)。

信號光入射到相干光接收機時首先通過偏振分束旋轉(zhuǎn)器(psr)，如圖2所示。當(dāng)tm0模式輸入直波導(dǎo)7時，在第一寬度漸變的錐形波導(dǎo)8中，由于波導(dǎo)寬度的變化而引起tm0模式向te1模式的逐漸演變，而且在直波導(dǎo)9處，tm0模式完全演變成te1模式。此外，由于相鄰的直波導(dǎo)11與直波導(dǎo)9之間滿足相位匹配條件，即模式的等效折射率相同，此時te1模式的光會耦合入直波導(dǎo)11，并通過第三漸變波導(dǎo)區(qū)12波導(dǎo)寬度的改變，使得耦合過來的te1模式轉(zhuǎn)化成te0模式，最終在第二輸出端口13輸出te0模式的光。當(dāng)te0模式輸入直波導(dǎo)7時，第一漸變波導(dǎo)區(qū)8中波導(dǎo)寬度的變化不會引起模式混合，在直波導(dǎo)9處也因不滿足te0模式的相位匹配條件而不能耦合進入直波導(dǎo)11。因此入射的te0模式仍然沿著第二漸變波導(dǎo)區(qū)10傳輸，最終在第一輸出端口14輸出te0模式。由此，psr實現(xiàn)了te0、tm0分別輸入時在不同端口均輸出te0模式。

本地振蕩光入射到相干光接收機時，首先通過分束器(bs)將本地振蕩光分為相同的兩束光輸入到后方的混頻器中，其中分束器由1分2的mmi構(gòu)成。如圖3所示，本地光由波導(dǎo)15輸入到相干光接收機中，通過在1分2的mmi多模波導(dǎo)16中的自成像，bs將輸入的本地光均分為兩路輸出光并分別由波導(dǎo)17和18輸入到后方的混頻器中。

光混頻器的實現(xiàn)方式可以有2種：由4個2分2的mmi構(gòu)成和由1個2分4的mmi構(gòu)成，現(xiàn)通過由1個2分4的mmi構(gòu)成的光混頻器為例對本專利提出的結(jié)構(gòu)進行說明。由于通過psr的兩個輸出端輸入到混頻器的光均為te模式，所以對于接收機中的兩個90°光混頻器5和6而言其輸入光并不存在偏振態(tài)的差異，因此兩個mmi結(jié)構(gòu)完全相同且mmi可以針對te光精確成像來設(shè)計，無需因考慮偏振態(tài)差異而取折中值。在本發(fā)明提出的光接收機中，psr的輸出光及bs的輸出光可以分別由mmi的輸入端口20和22、21和19、22和20以及19和21輸入，分別如圖4、5、6、7所示，上述混頻器5和6的輸入端口一一對應(yīng)，若使用環(huán)境特殊輸入端口可以不同，如混頻器5的輸入端口為20和22而混頻器6的輸入端口為21和19等任意組合，這種輸入端口的差別并不影響混頻器的設(shè)計以及其傳輸性能。兩路輸入光在mmi的多模波導(dǎo)區(qū)23中進行混頻，并分別在輸出端口24，25，26，和27輸出，混頻后的輸出光信號再經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及差分產(chǎn)生攜帶幅度、相位等信息的差頻電信號。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本發(fā)明的。在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發(fā)明之保護范圍。因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)以本申請的權(quán)利要求所界定的內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)。