阅读说明：本技术 一种光栅型偏振不敏感的多通道波分复用接收器 (Grating type polarization insensitive multi-channel wavelength division multiplexing receiver ) 是由 戴道锌 刘大建 于 2020-05-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光栅型偏振不敏感的多通道波分复用接收器。偏振旋转分束器的两端分别连接第一、第二连接波导的一端,第一、第二连接波导之间串接有N个接收单元,每个接收单元包括双向光栅滤波器、滤模器和双端口探测器,N个双向光栅滤波器、N个滤模器依次交替串接相连后连接在偏振旋转分束器的直通端和交叉端之间,每个双向光栅滤波器的正向和反向下载端波导均连接到一个双端口探测器。本发明实现了多通道波分复用接收器的偏振不敏感,获得了一个低插损、低串扰且各通道均有平顶响应的多通道波分复用接收器,具有与CMOS工艺兼容、结构简单、低插损和低串扰等优点。(The invention discloses a grating type polarization insensitive multi-channel wavelength division multiplexing receiver. The two ends of the polarization rotation beam splitter are respectively connected with one end of a first connecting waveguide and one end of a second connecting waveguide, N receiving units are connected between the first connecting waveguide and the second connecting waveguide in series, each receiving unit comprises a bidirectional grating filter, a mode filter and a dual-port detector, the N bidirectional grating filters and the N mode filters are sequentially connected in series in an alternating mode and then connected between a straight-through end and a cross end of the polarization rotation beam splitter, and forward and reverse download end waveguides of each bidirectional grating filter are connected to one dual-port detector. The invention realizes the polarization insensitivity of the multichannel wavelength division multiplexing receiver, obtains the multichannel wavelength division multiplexing receiver with low insertion loss and crosstalk and flat-top response of each channel, and has the advantages of compatibility with CMOS (complementary metal oxide semiconductor) process, simple structure, low insertion loss, low crosstalk and the like.)

一种光栅型偏振不敏感的多通道波分复用接收器

技术领域

本发明属于光通信领域的一种接收器，具体涉及一种光栅型偏振不敏感的多通道接收器。

背景技术

随着“宽带中国”的迅猛发展和5G时代的到来，数据业务对超高容量光互联的需求日益迫切。众所周知，波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术是其中增强数据通信互联的重要技术之一。WDM技术将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输；在接收端，经解复用器将各个波长的光载信号分离，并恢复原信号。一般WDM技术包括通道间隔小(比如：0.8nm)的密集波分复用(Dense WDM，DWDM)和通道间隔较大(比如：20nm)的稀疏波分复用(Coarse WDM，CWDM)。

目前实际应用的波分复用-解复用器多是由分离式元件耦合而成的，具有尺寸大、难封装和成本高等缺点，远不能满足未来光通信器件的发展。基于平面光波导的波分复用-解复用器因其集成小型化、低能耗和低成本等特点而备受关注。在光纤通信系统中，由于光信号在经光纤传输后的偏振态是随机的，在接收端需要偏振不敏感的解复用器进行分波。然而由于硅纳米线的高折射率差和亚微米的截面尺寸，硅纳米线往往有很大的双折射，大部分硅基波分解复用器件为偏振敏感的，致使其不能应用于实际的光纤通信系统中。另外，为了保证通信系统优越的整体性能，波分解复用器需要在满足偏振不敏感的同时，保证整体器件的平顶响应、低插损和低串扰。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提出了一种光栅型偏振不敏感的多通道波分复用接收器。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括偏振旋转分束器、第一连接波导、第二连接波导和N个接收单元，偏振旋转分束器的两端分别连接第一连接波导、第二连接波导的一端，第一连接波导和第二连接波导另一端之间串接有N个结构类似的接收单元，每个接收单元包括一个双向光栅滤波器、一个滤模器和一个双端口探测器，接收单元的双向光栅滤波器和滤模器沿从第一连接波导另一端到第二连接波导另一端方向依次串接，即从第一连接波导另一端到第二连接波导另一端方向依次布置串接第一双向光栅滤波器、第一滤模器、…、第N双向光栅滤波器、第N滤模器，即使得第一双向光栅滤波器、第一滤模器、…、第N双向光栅滤波器、第N滤模器依次首尾相连；且接收单元还包括双端口探测器，双端口探测器位于双向光栅滤波器侧旁并和双向光栅滤波器耦合连接。

所述的偏振旋转分束器包括输入波导、偏振旋转工作区、直通端输出波导和交叉端输出波导，输入波导的输入端作为光信号的输入端口，输入波导的输出端连接到偏振旋转工作区的输入端，偏振旋转工作区的两个输出端分别连接直通端输出波导的输入和交叉端输出波导的输出端，偏振旋转分束器两端分别为直通端输出波导和交叉端输出波导，直通端输出波导的输出端经第一连接波导与第一个接收单元的第一双向光栅滤波器的输入端连接，第N个接收单元的第N滤模器的输出端经第二连接波导与偏振旋转分束器的交叉端输出波导的输入端连接。光信号进入输入波导后，横电模的分量经过工作区后从直通端输出波导输出，横磁模的分量在经过工作区后转化成横电模，并从交叉端输出波导输出。

所述的N个接收单元的双端口探测器结构相同，n＝1,2,…,N-1,N,每个双端口探测器主要由正向输入波导、探测器和反向输入波导依次连接，其中正向输入波导作为双端口探测器的正向输入端与双向光栅滤波器的正向下载端(即和双向光栅滤波器的前模式解复用器的下载端波导n04相连接)，反向输入波导作为双端口探测器的反向输入端与双向光栅滤波器的反向下载端(即和双向光栅滤波器的后模式解复用器的下载端波导n11相连接)。

所述的滤模器将滤除波导中的高阶横电模，并保留横电基模，但不限于采用弯曲波导等结构。高阶横电模是指一阶及更高阶的横电模。

所述的接收单元的每个双向光栅滤波器结构相同，n＝1,2,…,N-1,N，均包括一个前模式解复用器、一个多模波导光栅和一个后模式解复用器；前模式解复用器的输出端依次经多模波导光栅的前渐变光栅、反对称多模波导光栅和后渐变光栅与后模式解复用器的输入端连接；前模式解复用器和后模式解复用器结构相同但以多模波导光栅两侧对称布置。

所述的多模波导光栅主要由前渐变光栅、反对称多模波导光栅和后渐变光栅依次连接而成，前渐变光栅的输入端作为多模波导光栅的输入端，后渐变光栅的输出端作为多模波导光栅的输出端。

所述的模式解复用器，包括前模式解复用器和后模式解复用器，采用不对称定向耦合器、绝热演化耦合器、光栅辅助型耦合器等结构。

所述的多模波导光栅的前渐变光栅(n05)，其光栅齿的深度由零线性渐变到反对称多模波导光栅的深度；所述的多模波导光栅的后渐变光栅(n07)，其光栅齿的深度由反对称多模波导光栅的深度线性渐变到零。通过前渐变光栅减少了波导模式和光栅模式的模式失配，减小了因模式失配所造成的损耗，进一步减低了器件损耗。

所述的反对称多模波导光栅实现TE₀模式反向耦合为TE₁模式，满足相位匹配条件(n₀+n₁)/2＝λ/Λ，式中n₀为TE₀模式的有效折射率，n₁为TE₁模式的有效折射率，λ为谐振波长，Λ为光栅齿周期。TE₀模式和TE₁模式分别是指横电基模和横电一阶模模式。

每个所述双向光栅滤波器中的多模波导光栅均采用了切趾光栅，并加入了渐变光栅，具体是反对称多模波导光栅采用切趾光栅，前渐变光栅和后渐变光栅采用了渐变光栅，减小了光栅之间的法布里-珀罗效应，降低了通道之间的串扰。

所述的多模波导光栅的锯齿采用矩形、三角形和余弦形等形状。

所述的前模式解复用器由传播方向的输入波导、下载波导、模式复用工作区和输出波导连接构成，输入波导的输入端连接上一个接收单元的滤模器的输出端，下载波导的一端连接当前接收单元的双端口探测器的输入端，输入波导的输出端、下载波导的另一端分别连接模式复用工作区的一端，模式复用工作区另一端连接输出波导的一端，输出波导的另一端连接到多模波导光栅的输入端。

所述的后模式解复用器由传播方向的输入波导、模式复用工作区、下载波导和输出波导连接构成，输入波导的输入端连接到多模波导光栅的输出端，输入波导的输出端连接模式复用工作区的一端，模式复用工作区另一端分别连接输出波导和下载波导的一端，输出波导的另一连接当前接收单元的滤模器的输入端，下载波导的另一端连接当前接收单元的双端口探测器的输出端。

本发明包括偏振旋转分束器(Polarization Split Rotator，PSR)、第一连接波导、第二连接波导、第一双向光栅滤波器、…第N双向光栅滤波器、第一双端口探测器(Photodetector，PD)、…第N双端口探测器，第一滤模器、…第N滤模器；偏振旋转分束器的输入端为输入波导，偏振旋转分束器的直通输出端与第一连接波导的输入端相连接，偏振旋转分束器的交叉输出端与第二连接波导的输出端连接，第一连接波导的输出端与第一双向光栅滤波器的输入端相连接；多个双向光栅滤波器和多个滤模器依次连接，也即第一双向光栅滤波器的输出端与第一滤模器的输入端连接，第一滤模器的输出端与第二双向光栅滤波器的输入端相连接，…第(N-1)滤模器的输出端与第N双向光栅滤波器的输入端相连接，第N光栅滤波器的输出端与第N滤模器的输入端连接；第N滤模器的输出端与第二连接波导的输入端连接；多个双向光栅滤波器的正向下载端和反向下载端分别与多个双端口探测器的正向输入波导和反向输入波导相连接。偏振旋转分束器的输入端作为信号的输入端口，双向光栅滤波器的正向下载端作为相应通道(波长)横电模(Transverse Electricmode，TE)的输出端口，双向光栅滤波器的反向下载端作为相应通道(波长)横磁模(Transverse Magnetic mode，TM)的输出端口，最终同一通道(波长)下光信号的横磁模和横电模均被同一探测器接收，实现多通道波分复用接收器的偏振不敏感。

本发明的有益效果是：

本发明通过引入偏振旋转分束器和级联多个双向光栅滤波器，实现了偏振不敏感的波分解复用，并通过将各个双向光栅滤波器与各个双端口探测器连接，最终获得了偏振不敏感的多通道波分复用接收器。

本发明的双向光栅滤波器通过调节光栅的周期和齿深度，获得所需的通道中心和通道带宽，能完全满足各项通信协议中波长和带宽等要求。

本发明通过特殊设计构建的滤模器、切趾光栅和渐变光栅相结合的波导结构能够减小通道间的串扰，获得一个具有低串扰、低损耗和平顶响应的多通道波分解复用。

本发明可以用平面集成光波导工艺制作，工艺简便，成本低，性能高，损耗小，并且与传统CMOS工艺兼容，具有很大的生产化潜力。

综合来说，本发明实现了波分解复用的偏振不敏感，获得了一个低插损、低串扰且各通道均有平顶响应的多通道波分复用接收器，具有与CMOS工艺兼容、结构简单、低插损和低串扰等优点。

附图说明

图1是光栅型偏振不敏感的多通道波分复用接收器的整体结构示意图。

图2是双向光栅滤波器示意图。

图3是多模波导光栅采用的锯齿形式，包括但不限于(a)矩形锯齿、(b)三角形锯齿和(c)余弦形锯齿。

图4是光栅型偏振不敏感的多通道波分复用接收器的工作原理示意图。

图5是实施例器件各反对称多模波导光栅的仿真结果图。

图中：a为偏振旋转分束器，b1为第一双向光栅滤波器，…，bN为第N双向光栅滤波器，c1为第一滤模器，…，cN为第N滤模器，d1为第一双端口探测器，…，dN为第N双端口探测器，5为第一连接波导，6为第二连接波导；

1为偏振旋转分束器的输入波导，2为偏振旋转分束器的工作区，3为偏振旋转分束器的直通端输出波导，4为偏振旋转分束器的交叉端输出波导；

在双向光栅滤波器中，bn1(n＝1,2,…,N-1,N)为第n双向光栅滤波器的前模式解复用器，bn2为第n双向光栅滤波器的多模波导光栅，bn3为第n双向光栅滤波器的后模式解复用器；

n01为第n双向光栅滤波器中前模式解复用器的输入波导，n02为第n双向光栅滤波器中前模式解复用器的模式复用工作区，n03为第n双向光栅滤波器中前模式解复用器的输出波导，n04为第n双向光栅滤波器中前模式解复用器的下载波导；

n05为第n双向光栅滤波器中多模波导光栅的前渐变光栅，n06为第n双向光栅滤波器中多模波导光栅的反对称多模波导光栅，n07为第n双向光栅滤波器中多模波导光栅的后渐变光栅；

n08为第n双向光栅滤波器中后模式解复用器的输入波导，n09为第n双向光栅滤波器中模式解复用器的模式复用工作区，n10为第n双向光栅滤波器中后模式解复用器的输出波导，n11为第n双向光栅滤波器中后模式解复用器的下载波导。

n12为第n双端口探测器的正向输入波导，n13为第n双端口探测器的探测器，n14为第n双端口探测器的反向输入波导。

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，本发明具体实施包括一个偏振旋转分束器a，N个级联的双向光栅滤波器，即第一双向光栅滤波器b1，…，第N双向光栅滤波器bN，相连的两个双向光栅滤波器之间包括一个滤模器c1,…,cN，N个双端口探测器d1,…,dN。

具体包括偏振旋转分束器a，第一连接波导5，第二连接波导6，第n双向光栅滤波器bn，n＝1,2,…,N-1,N，第n滤模器cn，第n双端口探测器dn；偏振旋转分束器a的直通输出波导3经第一连接波导5与第一双向光栅滤波器b1的输入端相连接；第一双向光栅滤波器b1，第一滤模器c1，…，第N双向光栅滤波器bN，第N滤模器cN依次连接；第N滤模器cN的输出端经第二连接波导6与偏振分束器a的交叉端输出波导4连接；第n双端口探测器dn的正向输入波导n12和反向输入波导n14分别与第n双向光栅滤波器的前模式解复用器的下载波导n04和第n双向光栅滤波器的后模式解复用器的下载波导n14相连接。

其中偏振旋转分束器a包括输入波导1、工作区2、直通端输出波导3和交叉端输出波导4。

其中n个双端口探测器dn包括，正向输入波导n12，探测器n13和反向输入波导n14。

如图2所示，N个双向光栅滤波器均包含前模式解复用器bn1、多模波导光栅bn2和后模式解复用器bn3，前模式解复用器bn1包括输入波导n01、模式解复用工作区n02、输出波导n03和下载波导n04；后模式解复用器bn3包括输入波导n08、模式解复用工作区n09、输出波导n10和下载波导n11；多模波导光栅bn2包括前渐变光栅n05、反对称多模波导光栅n06和后渐变光栅n07。

N个双向光栅滤波器的多模波导光栅bn2由前渐变光栅n05、反对称多模波导光栅n06和后渐变光栅n07依次连接而成，其中前渐变光栅n05的另一端作为多模波导光栅的输入端，后渐变光栅n07的另一端作为多模波导光栅的输出端。

如图2所示，双向光栅滤波器的基本结构如图。前模式解复用器bn1和多模波导光栅bn2和后模式解复用器bn3依次连接。图中左上端口为输入端口，右上端口为输出端口(也为反向的输入端口)，左下端口为正向下载端口，右下端口为反向下载端口。

前模式解复用器bn1和后模式解复用器bn3可以但不限于由不对称定向耦合波导、绝热演化波导、光栅辅助耦合波导构成。前模式解复用器中，右端输入的TE₁模式可以复用到左下端口的TE₀模式输出；后模式解复用器中，左端输入的TE₁模式可以复用到右下端口的TE₀模式输出。

多模波导光栅满足TE₀模式与反向TE₁模式的相位匹配条件，输入TE₀模式在布拉格谐振条件附近可以反向耦合成TE₁模式，通过选取光栅总体宽度、光栅齿深度和光栅周期，可以获得需求的中心波长和带宽。通过采用切趾光栅结构(比如可以采用但不限于两侧光栅齿的轴向上的横移的高斯分布)，从而获得高边模抑制比的滤波器，进而能减小各个信号通道之间的串扰。

如图3所示，所述的多模波导光栅可以采用多种形式的锯齿，包括图3(a)矩形锯齿、图3(b)三角形锯齿和图3(c)余弦形锯齿等。

下面说明本发明作为偏振不敏感波分复用接收器的工作过程：

本发明的工作原理如图4所示，携带信息的各个波长(λ₁…λ_N)光信号从Input端输入，进入偏振旋转分束器(PSR)，光信号中TE偏振分量将从直通端波导输出，即图中左侧波导输出，而光信号中的TM偏振分量经偏振旋转分束器后会转化成TE偏振，并在交叉端波导输出，即图中右侧波导输出；直通端波导的光输出后依次通过各个双向光栅滤波器(b1，…，bN)，各个波长的光(λ₁…λ_N)将在各个正向下载端依次输出，并进入到各个探测器(PD)中；而交叉端波导的光输出后则反向通过各个双向光栅滤波器(bN，…，b1)，各个波长的光(λ_N…λ₁)也将在各个反向下载端依次输出，并进入到各个探测器中。最终，同一波长的光信号，其TE偏振分量和TM偏振分量均进入到同一探测器中，最终实现偏振不敏感的多通道波分复用接收。通过引入切趾光栅、滤模器和渐变光栅，抑制了各个光栅之间的法布里-珀罗谐振，并降低各个通道之间的串扰，从而获得一个低串扰、低插损的波分复用接收。

本发明具体实施例如下：

选用基于硅绝缘体(SOI)材料的硅纳米线光波导：其芯层是硅材料，厚度为220nm、折射率为3.4744；其下包层材料为SiO₂，厚度为2μm、折射率为1.4404；上包层材料为SiO₂，厚度为1.2μm，针对在O-band通信波段的CWDM4器件进行了设计和仿真，此时N＝4。

对于模式解复用器(包括各个双向光栅滤波器的前/后模式解复用器)采用绝热演化耦合结构。

对于四个多模波导光栅，选取参数为光栅总宽度为850nm，光栅齿深度为170nm，光栅周期数为200，前/后渐变光栅的周期数为20，光栅占空比为0.5，四个多模波导光栅的周期分别为250nm、256nm、262nm和268nm。四个多模波导光栅，均采用了相位切趾的方案，切趾形式为轴向横移呈高斯分布切趾。

经三维时域有限差分算法对器件的四个多模波导光栅进行了仿真验证。图5对应为第一、第二、第三和第四多模波导光栅的仿真结果，由图可知本发明的器件在1271nm、1291nm、1311nm和1331nm通道均取得了16.5nm的1dB带宽，四个通道均有平顶的响应，***损耗均<0.15dB，各个通道的串扰均<-20dB。由此可见，本发明的器件可以获得一个具有低插损、低串扰、具有平顶响应的波分解复用器，连接探测器则可构成多通道的波分复用接收器。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。