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CN107966866B - 光调制器 - Google Patents

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CN107966866B CN201711307203.5A CN201711307203A CN107966866B CN 107966866 B CN107966866 B CN 107966866B CN 201711307203 A CN201711307203 A CN 201711307203A CN 107966866 B CN107966866 B CN 107966866B
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M·维拉
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P·韦尔加尼
H·琼斯
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Langmeitong Technology Uk Ltd
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Abstract

本发明涉及一种折叠马赫‑增德尔调制器。所述调制器可以包括光分束器配置成将输入光束分成多个光束。所述调制器可以包括配置成接收一个或多个所述光束多个马赫‑增德尔装置。所述调制器可以包括U形转弯部分配置成接收来自所述马赫‑增德尔装置的光束并改变所述光束的方向大致180度。所述调制器可以包括偏振管理部分配置成将从所述U形转弯部分接收的光束组合并输出偏振多路复用相位调制光束。

Description

光调制器
本申请是申请日为2013年07月31日、申请号为201380067547.7、名称为“光调制器”的中国发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及光调制器。更具体地，本发明涉及折叠马赫-增德尔(Mach-Zehnder)调制器。本发明进一步涉及可以在光调制器中实施的方法和装置。
背景技术
在本说明书中术语“光”会被用于这样的场景，其在光学系统中使用不仅意味着可见光，还有具有可见光范围之外的波长的电磁波。
光调制器和偏振复用装置复杂并且典型地在铌酸锂(LiNbO3)衬底上具有大的形状因子。进一步，经常要求包括附加的装置，诸如可变光衰减器(VOA)和光检测器(PD)。这样装置的附加显著地增加复杂性和整体多路复用器芯片的长度。
由于给定晶圆尺寸的最大芯片长度上的限制-芯片长度一定不要超过给定值以便在每个晶圆上具有合理数目的芯片，在芯片设计中增加的芯片长度特别重要。此外，封装(其包括调制器或多路复用器芯片)的长度是用于将所述装置布置在变换器内部或在线卡上的重要参数。因而，减小光调制器芯片尺寸是希望的。
使用分立元件实施光调制器是可能的。然而，此时由于在不同元件之间要求的互连，封装尺寸显著地增加。
发明内容
根据本发明一个方面提供一种折叠马赫-增德尔调制器。所述调制器可以包括光分束器配置成将输入光束分成多个光束。所述调制器可以包括多个马赫-增德尔装置配置成接收所述多个光束的一个或多个。所述调制器可以包括U形转弯部分配置成接收来自所述马赫-增德尔装置的光束并将所述光束的方向改变大致180度。所述调制器可以包括偏振管理部分配置成将从所述U形转弯部分接收的光束组合并输出偏振多路复用相位调制光束。
可选地，所述光分束器和所述偏振管理部分形成所述调制器的第一分立无源元件的部分。
可选地，所述U形转弯部分形成所述调制器的第二分立无源元件的部分。
可选地，所述马赫-增德尔装置形成所述调制器的分立驱动元件的部分。
可选地，所述光分束器形成第一分立无源元件的部分，所述U形转弯部分形成第二分立无源元件的部分以及所述偏振管理部分形成第三分立无源元件的部分。
可选地，相邻的分立元件邻接从而没有自由空间光。
可选地，所述偏振管理部分包括偏振组合器，配置成将多个光束组合成偏振多路复用光束。
可选地，所述偏振管理部分进一步包括偏振旋转器，被配置使得从所述U形转弯部分接收的所述光束的一个或多个在通过所述偏振组合器之前通过所述偏振旋转器。
可选地，使用PLC制备所述第二分立无源元件，以及其中所述U形转弯部分被配置成当改变光束方向时在曲线路径中弯曲所述光束。
可选地，所述光束的曲线路径定义外部路径和具有相比于所述外部路径的减小半径的一个或多个内部路径，以及其中所述内部路径被配置成具有补偿所述减小半径的路径长度。
可选地，所述第二分立无源元件使用LiNbO3制备，以及其中所述U形转弯部分包括至少两个反射镜配置成当改变光束方向时反射所述光束。
可选地，所述反射镜刻蚀在LiNbO3衬底上并覆有反射材料。
可选地，调制器，进一步包括至少一个可变光衰减器，配置成来自所述U形转弯部分的一个或多个光束在传递到所述偏振管理部分之前通过所述可变光衰减器。
可选地，所述至少一个可变光衰减器形成所述分立驱动元件的部分。
可选地，所述分立驱动元件进一步包括与一个可变光衰减器相关联的第一光检测器装置，以及配置成来自所述U形转弯部分的一个或多个光束在传递到所述相关联的可变光衰减器之前通过所述第一光检测器。
可选地，所述分立驱动元件进一步包括与一个可变光衰减器相关联的第二光检测器装置，以及配置成来自所述相关联的可变光衰减器的一个或多个光束在传递到所述偏振管理部分之前通过所述第二光检测器。
可选地，所述可变光衰减器为独立偏振(polarisation independent)。
可选地，调制器定义第一光路为从所述调制器的输入至所述U形转弯部分，定义第二光路为从所述U形转弯部分至所述调制器的输出，并且配置使得所述第一和第二光路并排(side by side)。
可选地，调制器定义第一光路为从所述调制器的输入至所述U形转弯部分，定义第二光路为从所述U形转弯部分至所述调制器的输出，并且配置使得所述第一和第二光路背靠背。
根据本发明的另一方面，提供一种折叠马赫-增德尔相位调制器。所述调制器可以包括多个马赫-增德尔装置。所述调制器可以包括U形转弯部分配置成接收来自所述马赫-增德尔装置的光束并将所述光束的方向改变180度。所述调制器可以进一步包括至少一个可变光衰减器，配置成从所U形转弯部分接收光束并光衰减从所述调制器输出的光束。
可选地，所述可变光衰减器为独立偏振。
根据本发明的另一方面，提供一种光束方向改变器。所述光束方向改变器可以被配置成接收来自一个或多个光波导和/或扩散波导的光束。所述光束方向改变器可以位于使用LiNbO3制备的衬底上。所述光束方向改变器可以包括反射镜配置成反射所述接收的光束从而改变所述光束的方向。
可选地，所述光束的方向大致改变90度。
可选地，光束方向改变器包括两个反射镜被布置从而所述光束方向的整体改变为大致180度。
根据本发明的另一方面，提供一种马赫-增德尔调制器包括使用电光材料制备的分立驱动元件。所述分立驱动元件可以包括配置成衰减从所述调制器输出的调制光束的可变光衰减器。所述分立驱动元件可以包括配置成监控在被传递到所述可变光衰减器之前的调制光束的强度的第一光检测器。所述分立驱动元件可以包括配置成监控已经通过所述可变光衰减器之后的所述调制光束的强度的第二光检测器。
附图说明
于此参照附图描述本发明的示例的实施方式，其中：
图1是马赫-增德尔调制器布局的示意图；
图2是马赫-增德尔调制器的示意图；
图3是马赫-增德尔调制器的分立驱动元件的示意图；
图4示出马赫-增德尔调制器的第一和第二分立无源元件的示意图；
图5示出示例的U形转弯部分的尺寸和整体损失信息；以及
图6是折叠马赫-增德尔调制器的示意图。
具体实施方式
发明人了解折叠马赫-增德尔调制器设计减小马赫-增德尔调制器整体封装尺寸。进一步，该折叠设计增加集成效率。因而，总体上本文披露的是折叠偏振多路复用器调制器装置。
本文披露所述折叠设计用于集成复杂电光装置。当要求多种功能或装置时，例如，要求具有VOA的偏振多路复用调制器，相对于传统的不含有附加的装置的布局，所述折叠设计在保持所述整体元件长度几乎未改变的同时允许这样的集成。
本文披露的设备提供减小装置的要求的芯片区域中的至少两倍面积的优势。进一步，本文披露的所述设备通过将光纤布置在相同侧使得从所述封装去除双侧光纤引导。
图1示出具有集成可变光衰减器装置的微分相位正交相移键控调制器(DP-QPSK-VOA)100的布局。所述布局示出若干马赫-增德尔干涉仪(MZI)和VOA 102。
输入104分成两个支路106、108。每个支路106、108引出母MZI和两个子MZI。一般而言，子MZI嵌套在母MZI中。母MZI提供用于横电(TE)和横磁(TM)偏振信号的相位调制，其分别用X和Y表示。子MZI提供针对TE和TM偏振信号的同相和正交组件的相位调制，分别用I和Q表示。
输入支路106提供输入至母MZI 110。所述母MZI 110的每个支路提供输入至子MZI112、114。这种布置在所述设备的相对侧做镜像，其中母MZI 116和子MZI 118、120通过输入支路108输入。
从所述母和子输出的信号分别输入至偏振光束组合器(PBC)122在此输出光束被组合。然后所组合的光束在被传递到输出124之前通过VOA 102。
通过施加偏置电压至电极(在图1中未示出)控制母和子MZI 110、112、114、116、118、120以便改变MZI的一个支路的折射率。因此，可以将MZI称为“驱动”。这依次导致从所述MZI输出的所述光信号的相位改变。
图2是DP-QPSK-VOA装置200的示意图。装置200集成了体现在三个分立元件的折叠设计。所述装置包括两个分立无源元件202、204和分立驱动元件206。术语“分立驱动元件”包括包括诸如MZI的由电压驱动的组件的电光装置。在示例的装置中，无源元件202、204可以包括分束器、组合器、U形转弯、偏振复用装置并且可以被制备成PLC或使用LiNbO3制备。无源元件202、204同样可以使用其他无源波导技术从诸如聚合物或磷化铟材料制备。所述驱动元件包括电光驱动构件(building block)，诸如MZI和VOA，并且可以使用LiNbO3制备。所述LiNbO3可以根据所述要求的装置工作特性可以被Z向切割(Z-cut)或X向切割(X-cut)。
在图2中所示的所述举例中，第一无源元件202包括输入208、输出210、配置成将输入光束分成四个的光分束器212、以及偏振管理部分包括配置成旋转光束偏振的偏振旋转器214和配置成组合两个线性偏振光束的偏振组合器216。
所述驱动元件206包括四个MZI 218、220、222、224，其在本举例中实际上相当于图1的子MZI 112、114、118、120。驱动元件206同样包括X和Y光路。所述X光路包括X相位电极226、在VOA 228之前的X PD、以及X VOA 230和在VOA 232之后的X PD。相似地，所述Y光路包括Y相位电极234，在VOA 236之前的Y PD、以及Y VOA 238和在VOA 240之后的Y PD。如在图1中，所述四个并行MZI用XI、XQ、YI和YQ表示，其中I和Q表示所述QPSK调制器的同相和正交组件，以及X和Y是在传输通道(例如光纤)上待多路复用的TE和TM偏振。PD装置集成在相同芯片上以便监控所述VOA的输出功率以及提供反馈至所述DP-QPSK调制器的偏差控制回路(未示出)。
第二无源元件204包括U形转弯部分242。
在其他示例的装置中，所述光分束器和所述偏振管理部分可以形成所述装置的单独的分立无源元件。进一步，多个MZI和所述X和Y光路(和相关联的组件)可以形成所述装置的单独的分立驱动元件。更进一步，所述光分束器和所述MZI可以形成所述装置的分立元件，而所述X和Y光路(和相关联的组件)和所述偏振管理部分可以形成的所述装置的另外的分立元件。在具体地示例的装置中，分立元件邻接从而没有自由空间光学器件。
将光束输入至所述第一无源元件202并从所述输入208传输至所述分束器212，其将所述光束分成四个单独的光束。所述四个光束从所述第一无源元件202出来并进入所述驱动元件206。所述四个光束的每一个通过MZI 218、220、222、224，在此可以改变所述光信号的相位。所述光束从所述驱动元件206出来并进入所述第二无源元件204的所述U形转弯部分242。所述U形转弯部分242改变所述四个光束的方向大约180度。然后所述四个光束从所述第二无源元件204出来并再次进入所述驱动元件206。所述两个X光束进入所述X光路并通过如上文所述对应的组件。所述两个Y光束进入所述Y光路并通过如上文所述对应的组件。两个X光束在X电极之后组合成单一X光束以及两个Y光束在Y电极之后组合成单一Y光束。所组合的X光束从所述有源模块206出来并再次进入所述第一无源元件202的所述偏振组合器216。所组合的Y光束从所述驱动元件206出来并再次进入所述第一无源元件202，通过所述偏振旋转器214和所述偏振组合器216。所述光束在所述偏振组合器216中组合以在所述输出210处形成单一光束。
位于所述VOA 230、238之前和之后的PD 228、232、236、240可以利用垂直衰减耦合或利用光溢出器集成。当光束进入所述VOA和从VOA出来时PD监控光束强度。所述VOA 230、238可以用Y支路或用其他光装置制备(例如马赫-增德尔干涉仪)。
图3示出制备在LiNbO3上示例的驱动元件的更详细的电气连接的示意图。在图3中所示尺寸已被确定，由此所述模块适合装入用于工作在100Gbps的变换器和传统的线卡的适当封装中。其他示例的元件可以具有其他尺寸。
图3的特征相当于图2的驱动元件206的特征因而给出相同参考数字。
通过进一步增加并行马赫-增德尔元件以在多载波模式下工作(例如具有不同波长的光束)，或使用诸如16-QAM和64-QAM的高阶调制格式是可能增加集成密度的。所述集成密度大致对应于在装置中存在的并行马赫-增德尔调制器的数目，以允许高阶调制。
图4示出第一无源元件402a、402b和包括U形转弯部分的第二无源元件404a、404b的示例的实施。第二无源元件404a、404b优选尽可能小并且对通过其的光信号引入最小扰动。特别地，所述第二无源元件404a、404b优选引入最小或低插入损耗、几乎没有或无偏振转换，以及理想地在所述各种DP-QPSK信号中无差分延迟。
在图4中所示的第一示例的实施，所述第一无源元件402a和所述第二无源元件404a被制造为PLC。所述第一无源元件402a包括1x4分束器406a，其将单一的输入光束分成四个光束。所述第一无源元件402a进一步包括2x1偏振旋转器组合器408a。所述第一无源元件402a的高度可以在从3.2mm至4.0mm的范围，并且，在具体的示例的第一模块402a中，可以为3.6mm。所述第一无源元件402a的长度可以在所述从9mm至11mm的范围，并且，在具体的示例的第一模块402a中，可以为10mm。
所述第二无源元件404a的第一示例的实施被制造为PLC。从驱动元件进入所述第二无源元件404a的四个光束410a在曲线路径中转弯大致180度。所述U形转弯用灯泡形曲线实现以便减小所述弯曲波导的差分光路延迟同时保持所述传输和插入低损耗。
所述第二无源元件404a的高度可以在从5mm至7mm的范围，并且，在具体的示例的第二无源元件404a中，可以为6mm。所述第二无源元件404a的长度可以在从5mm至10mm的范围，并且，在具体的示例的第二无源元件404a中，可以为5mm或10mm。
所述第一和第二无源元件402a、404a的尺寸基于1.1％的PLC指数梯级(indexstep)(或指数对比度)。应理解的是，如果使用不同PLC指数梯级，所述第一和第二无源元件402a、404a的尺寸将会相应变化。所述指数梯级可以定义为波导(例如芯片)的折射率和周围材料(例如覆盖)的折射率之间的百分比差。
另外示例的第一无源元件402b使用LiNbO3制备。所述第一无源元件402b包括一个至四个分束器406b和2x1偏振组合器408b。所述第一无源元件402b的高度可以在从2.6mm至3.4mm范围，并且，在具体的示例的第一元件402b中，可以为3mm。所述第一无源模块402b的长度可以少于12mm，并且，在具体的示例的第一元件402b中，可以在从8mm至12mm的范围。
在所述示例的第二无源元件404b中，所述U形转弯元件被使用角镜412b、414b构造，角镜412b、414b配置成反射在所述波导内的光。这使得所述光束410b调整90度并且能够减小整体芯片的尺寸至少两倍。所述角镜412b、414b可以机械或者化学刻蚀并然后覆有金以减小损失。示例的角镜412b、414b可以包括垂直刻蚀沟槽，该沟槽位于相对于所述波导轴45度角的合适的位置中。刻蚀区可以，例如，或者通过深反应离子束刻蚀(RIE)，或者通过合适的刀片机械切割来制备。然后所述刻蚀侧壁可以覆有蒸发的金以获得具有最低的光学损失的全反射。
可以在示例的DP-QPSK调制器中使用的两个无源元件402a、404a、402a、402b可以使用不同材料和技术制备。可以使用PLC，例如，使用玻璃基二氧化硅、磷化铟、氮化硅、聚合物和其他衬底。在每个所述示例的第一无源元件402a、402b中，所述无源分束器和组合器的实施大部分相同。对于偏振组合器有若干选择，例如，波导旋转器和波片。
图5概述当使用标准硅PLC技术具有不同指数梯级的第二无源元件占用空间。更高的指数梯级可以生产更小的U形转弯元件，但是当这些波导连接至LiNbO3芯片(诸如所述驱动元件)或标准光纤时，插入损耗显著地增长。
图6示出折叠马赫-增德尔调制器装置的可替换实施600的截面。图2的装置200的实施在图6的上方示出并且所述箭头示出所述装置200的部分如何对应于装置600的部分。所述装置600的部分包括在装置200的对应的部分中所示的组件。
装置600包括三个分立元件602、604和606。第一分立元件包括光分束器(对应于光分束器212)和多个MZI(对应于MZI 218、220、222、224)。所述第一分立元件602可以使用LiNbO3、PLC或LiNbO3部件的组合制备。第二分立元件604包括U形转弯部分(对应于U形转弯部分242)。所述第二分立元件604可以使用LiNbO3或PLC制造。第三分立元件606包括X和Y光路和相关联的组件(对应于所述X和Y路径和所述驱动元件206的组件)以及偏振旋转器(对应于偏振旋转器214)和偏振组合器(对应于偏振组合器216)。所述第三分立元件606可以使用LiNbO3、PLC或LiNbO3部件的组合制备。
所述分立元件602、604、606设置在支撑件608上以便其光学对准使得进入所述第一分立元件602的光通过所述第二分立元件604并通过所述第三分立元件606出来。所述支撑件608通常为t形。所述装置600可以通过附加的顶帽(top hat)610包含在封装内。在示例的装置中，所述第二分立元件604可以通常为U形，如图6中所示，或者可以为提供更多的机械稳定性和强度的矩形。
通常，所述装置600可视为具有背靠背布置的所述第一和第二分立元件602、604以及在二者之间的支撑件608。相反地，装置200具有并行地布置的对应组件。
在不脱离所述附加的权利要求的范围的情况下技术人员会进一步构想示例的方法和装置。

Claims (18)

1.一种由三个或更多分立元件构成的折叠马赫-增德尔调制器，包括：
包含在第一分立元件中的光分束器，被配置成将输入光束分成多个光束；
包含在第二分立元件中的多个马赫-增德尔装置，被配置成从所述光分束器接收所述多个光束的一个或多个；
包含在第三分立元件中的U形转弯部分，被配置成接收来自所述马赫-增德尔装置的调制了的光束并将所述光束的方向改变180度，其中所述多个马赫-增德尔装置全部都位于所述U形转弯部分的上游；以及
偏振管理部分，被配置成组合从所述U形转弯部分接收的光束并输出偏振多路复用相位调制光束；
其中包括所述U形转弯部分的所述元件为第二无源元件，该第二无源元件被配置为只改变所述光束的方向并且该第二无源元件不包括其它部件。
2.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述光分束器和所述偏振管理部分形成所述调制器的第一分立无源元件的部分。
3.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述马赫-增德尔装置形成所述调制器的分立驱动元件的部分。
4.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述光分束器形成第一分立无源元件的部分以及所述偏振管理部分形成第三分立无源元件的部分。
5.根据权利要求2所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中相邻的分立元件邻接从而没有自由空间光。
6.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述偏振管理部分包括偏振组合器，该偏振组合器被配置成将多个光束组合成偏振多路复用光束。
7.根据权利要求6所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述偏振管理部分还包括偏振旋转器，该偏振旋转器被配置使得从所述U形转弯部分接收的所述光束的一个或多个在通过所述偏振组合器之前通过所述偏振旋转器。
8.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中使用PLC制备所述第二无源元件，以及其中所述U形转弯部分被配置成当改变所述光束的方向时在曲线路径中弯曲所述光束。
9.根据权利要求8所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述光束的曲线路径定义外部路径和具有相比于所述外部路径的减小半径的一个或多个内部路径，以及其中所述内部路径被配置成具有补偿所述减小半径的路径长度。
10.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述第二无源元件使用LiNbO3制备，以及其中所述U形转弯部分包括至少两个反射镜，该至少两个反射镜被配置成当改变光束方向时反射所述光束。
11.根据权利要求10所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述至少两个反射镜刻蚀在LiNbO3衬底上并覆有反射材料。
12.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，还包括至少一个可变光衰减器，该至少一个可变光衰减器被配置使得来自所述U形转弯部分的一个或多个光束在传递到所述偏振管理部分之前通过所述可变光衰减器。
13.根据权利要求12所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述至少一个可变光衰减器形成分立驱动元件的部分。
14.根据权利要求13所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述分立驱动元件还包括与一个所述可变光衰减器相关联的第一光检测器装置，以及被配置使得来自所述U形转弯部分的一个或多个光束在传递到所述相关联的可变光衰减器之前通过所述第一光检测器。
15.根据权利要求13所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述分立驱动元件还包括与一个所述可变光衰减器相关联的第二光检测器装置，以及被配置使得来自所述相关联的可变光衰减器的一个或多个光束在传递到所述偏振管理部分之前通过所述第二光检测器。
16.根据权利要求12所述的折叠马赫-增德尔调制器，其中所述可变光衰减器为独立偏振。
17.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，将第一光路定义为从所述调制器的输入至所述U形转弯部分，以及将第二光路定义为从所述U形转弯部分至所述调制器的输出，并且被配置使得所述第一光路和所述第二光路并排。
18.根据权利要求1所述的折叠马赫-增德尔调制器，将第一光路定义为从所述调制器的输入至所述U形转弯部分，以及将第二光路定义为从所述U形转弯部分至所述调制器的输出，并且被配置使得所述第一光路和所述第二光路背靠背。
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