[发明专利]具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器及其设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体、光电集成和相干接收系统技术领域，特别是涉及一种具有偏振不敏感特性的90°相移光混合器及其设计方法。

背景技术

随着个人计算机和国际互联网的普及，各种数据业务以及宽带技术的飞速发展，整个社会对信息的需求量呈现出爆炸式增长。当今社会的高度信息化，对通信系统特别是骨干通信系统提出了很高的要求，表现为信息容量大、传输距离长、通信质量高和系统可靠性好等特性。光通信网络正朝着规模不断扩展、容量快速增长、业务日益丰富、应用愈加灵活、需求日趋多样的方向快速发展。目前我国在城域网之间和骨干网之间的网络上是以10Gbps的DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing，密集型光波复用)系统的传输技术为主，逐渐向40Gbps的传输速度发展。这已经不能满足人们对高速通信系统的迫切需求，下一代的100Gbps通信技术成了人们关注和研究的热点之一。

QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，正交相移键控)相干调制技术相比传统的OOK(On-Off Keying，二进制振幅键控)直接调制可以将调制效率提高100％，而其发送的每个符号都能携带2bit信息，这样就降低了系统的符号速率；而采用了偏振复用技术的偏振复用正交相移键控，如DP-QPSK(Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying，双极化四相移键控)传输系统，可以将光谱效率提高两倍、系统的符号速率又降低100％。即采用DP-QPSK调制格式，100Gbit/s的通信速率可以在25G的bit率下实现，这样既可以提高色散容限，又能降低对电子速率的要求。基于未来光网络向更高速率的发展考虑，基于采用偏振复用发射和相干检测接收的DP-QPSK技术成了人们关注和研究的热点之一。

与传统的直接接收系统相比，相干接收系统不仅具有灵敏度高、选择性好等传统优势，还具有一些新的特点，主要表现在以下两个方面：一方面是能与数字信号处理技术相结合，降低系统成本，增加可靠性，使商用化成为可能；另一方面是能与新型调制技术相结合，降低电子速率的要求，提高色散容限。DP-QPSK相干光通信解调技术，即在本地振荡与载波信号进行相干混合后对基带信号进行解调，它在业内被认为是优秀的下一代100Gbps光传输技术的最佳通信方式。

相干接收机是相干通信系统中的关键器件。一个完整的DP-QPSK相干接收机主要由三部分构成：第一部分是偏振分离装置，由两个偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)组成，其作用是将信号光和本振光的两个不同的偏振态分离，以便分开进行处理；第二部分是信号解调装置，由两个90°相移光混合器组成，其作用是将信号光和本振光进行混频，使信号光中的相位信息转换为强度信息；第三部分是平衡接收装置，由四对平衡光探测器和对应的跨阻放大器组成，其作用是将光强信息进行光电转换和放大，最后以差分形式输出，以便进入到电子器件中进行后期信号处理。在三大组件中，90°相移光混合器是相干接收机的关键部分，其解决方案最多。而采用何种方案实现90°光混合器，对前端的偏振分离装置和后端的平衡接收装置都会产生很大影响。

波导型90°相移光混合器是目前的研究热点，可以在铌酸锂(LiNbO₃)、绝缘体上硅(SOI)、聚合物、硅基二氧化硅(Si)、磷化铟(InP)等多种衬底材料上制作。波导型90°相移光混合器的体积较小，方便与平衡接收机集成，能够满足相干接收机对空间的严格要求。而且波导型的90°相移光混合器都是采用光刻的技术制作，其尺寸能够精确控制，一致性很好，具有广阔的实用前景。