[发明专利]单片集成正交平衡光探测器

说明书

技术领域

本发明涉及相干探测领域，具体是一种单片集成的正交平衡光探测器，包括两个能探测TE、TM偏振的双平衡偏振光探测器。该单片集成的正交平衡光探测器可以作为正交平衡接收机的核心器件，用来检测QPSK/DQPSK信号。

背景技术

当前光通信的接收体制分为两类：一类是光强度调制/直接探测(IM/DD)；另一类是相干探测。与IM/DD相比，相干探测具有更高的探测灵敏度、更小的收发天线口径、更低的功耗、更强的抗干扰能力和更高的速率。因此，相干探测已成为发展新一代高码率、小型化和低功耗空间激光通信终端的重要技术途径。

平衡探测器作为相干探测的核心器件，一直备受关注，广泛应用于空间激光通信系统。同时，平衡探测器在高速数字通信系统上的应用也逐渐引起了人们的兴趣，可以应用于基于稳定、可靠的链路性能的新的调制码型技术，例如差分相移键控(QPSK)、差分正交相移键控(DQPSK)等。在数字通信系统中，这种相位敏感的编码和传输技术将成为一种趋势，能够大幅提高数据的传输容量，检测灵敏度和频谱效率是这种趋势的关键所在。

在相干探测中，要求信号光束与本振激光光束相干并且有相同的偏振方向，才能获得相干接收所能提供的高灵敏度。因为在这种情况下，只有信号光波电矢量在本振光波电矢量方向上的投影，才真正对混频产生的中频信号电流有贡献。为了充分发挥相干接收的优越性，在相干光通信中应采取光波偏振稳定措施。主要有如下三种方法：一是在接收机前端采用光偏振控制器，但是这是以损失接收信号功率为代价的。二是使光波在传输过程中保持光波的偏振态不变。对于相干光纤通信系统，由于普通的单模光纤会由于光纤的机械振动或温度变化等因素使光波的偏振态发生变化，通常是采用“保偏光纤”来实现传输过程中光波的偏振态不变。然而，“保偏光纤”与单模光纤相比，其损耗比较大，价格比较昂贵，因而难以应用于长距离。对于空间光通信，则难以实现传输过程中光波的偏振态不变。三是使用所谓的正交平衡检测技术，即采用普通的单模光纤或空间进行光传输，在接收端信号光与本振光混合后首先分成两路作为平衡接收，对每一路信号又采用偏振分束镜分成正交偏振的两路信号分别平衡检测，最后对两路平衡接收信号进行判决，选择较好的一路作为输出信号。此时的输出信号已与接收信号的偏振态无关，从而消除了信号在传输过程中偏振态的随机变化。正交平衡检测技术的提出使得相干检测技术的实用性大大提高。

当前应用于相干检测技术的平衡探测器都是基于分立的探测器，具有体积大、稳定性低和成本高等缺点。与微电子领域将众多晶体管大规模集成以实现复杂的功能和降低成本类似，集成多种功能的光电子器件也成为发展趋势，是降低应用系统成本、缩小系统体积和增强系统稳定性的关键因素之一。图1是一种常见的正交平衡光接收机，由一个90°光混合器和两个双平衡的光探测器组成，光混合器和双平衡探测器均由分立器件组成，具有体积大和成本高等特点。并且，这种平衡光接收机需要使用到双折射晶体的偏振分束镜，而探测器通常是基于III-V族或者IV族材料，特别不利于集成。因此，我们提出了新的正交平衡接收机。在该结构中，我们采用新型结构的偏振光探测器代替普通偏振不灵敏光探测器。因而不需要使用大体积的偏振分束器，90°光混合器可以采用基于半导体材料的2×4多模干涉仪(MMI)，正交光接收机能够实现集成化，极大减小器件体积、提高器件稳定性和降低成本。

发明内容

本发明为解决现有技术中的上述问题而做出，其目的在于提供一种能够实现集成化、极大减小器件体积且提高器件稳定性和降低成本的正交平衡光探测器。

为了实现上述发明目的，本发明涉及的一种正交平衡光探测器，以单片集成方式构成，其特征在于，包括：2个以上双平衡正交偏振光探测器，分别由2个TE偏振光探测器或者2个TM偏振光探测器构成；以及偏置电路，包括多个片上电容、多个交流隔离电阻和多个负载电阻。

此外，可以优选的是，衬底为半绝缘衬底，所有器件材料均在同一衬底上经过一次气相外延或者分子束外延而形成。

另外，可以优选的是，所述TE偏振光探测器和所述TM偏振光探测器均为面入射探测器。

此外，可以优选的是，通过在入射表面制作高对比度的亚微米介质光栅或者金属(金、银、铝和锗等)光栅，实现对探测光的偏振选择特性。

另外，可以优选的是，同一双平衡探测器内的探测器光栅设计参数相同。

此外，可以优选的是，高对比度的介质光栅和金属光栅对偏振光具备宽的反射带宽和偏振选择性。

另外，可以优选的是，TM偏振光探测器的光栅方向与TE偏振光探测器的光栅方向垂直。