[发明专利]基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，包括第一移相区、模式转换区、第二移相区、弯曲波导；第一移相区一端为输入端，另一端通过弯曲波导与模式转换区的一端相连；第一移相区、第二移相区由未极化反转的铌酸锂直波导、弯曲波导、极化反转的铌酸锂直波导、电极构成，直波导沿铌酸锂晶轴的Y方向，电极位于直波导左右两侧；模式转换区另一端通过弯曲波导与第二移相区一端相连；第二移相区另一端为输出端，将偏振控制器的光输出；所述模式转换区由铌酸锂直波导、弯曲波导、电极构成，电极位于直波导周围；第一、第二移相区通过极化反转部分铌酸锂波导实现推挽工作模式。本发明具有速度高、精度高、尺寸小、易于集成的优点。

技术领域

本发明设计光通信技术领域，具体为一种基于X切铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器。

背景技术

信息时代数据流量爆发式增长，这对数据的传输、储存、处理提出了更高的要求，诸如超高清视频、大型游戏、云服务等业务，需要高性能、低成本的器件提供强有力的物理层支持，光通信网络成为通信中必不可少的一环。5G网络、数据中心的升级，加快40Gbit/s、100Gbit/s或甚至更高速的光纤通信网络的铺设，而科研工作者开始研究400Gbit/s甚至Tbit/s的传输系统。在光纤通信领域中，当光信号在光纤中传输时，理想情况下输出光的偏振态不会发生变化。但在实际的光通信系统中，由于1)光纤制造工艺造成光纤不对称、存在应力或者其它缺陷使光纤本身具有双折射特性，2)在传输链路中由于诸如温度、机械应力等外界环境引入双折射等造成光在光纤中传输时其偏振态是时刻变化的。偏振态的变化势必会增加系统的偏振相关损害，如偏振模式色散、偏振相关损耗、偏振相关调制、偏振相关波长等等。有效解决偏振相关损害的方法时对通信系统中的光偏振态进行实时控制，需要能够将任意偏振态的输入光转换为任意所需的偏振态的输出光的器件，即偏振控制器。

传统的以开关键控(On-off-keying，OOK)等为代表的二进制调制格式逐渐被更适合高传输速率的差分正交移相键控(DQPSK)调制技术所取代，利用偏振复用技术(PDM)，其传输速率可在提高一倍，同时可提高频谱利用效率降低系统传输的符号速率。PDM-DQPSK系统中，接收端有多种不同的方式实现对信号的解复用，常见的有两种：一种是直接接收；另一种是相干接收，其系统中需要本振激光、高速模数转换模块(ADC)、高速数字信号处理(DSP)芯片等，利用DSP在电域实现偏振解复用和通道线性损伤(CD、PMD)补偿，以此减少或者消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖，与直接接收相比灵敏度有3dB的提高。基于高速DSP技术的相干接收在长距离通信系统中比较成熟的主流方案，3dB灵敏度的提高使其覆盖范围翻倍进而使所需中继站的数量几乎减半，所减少的中继站费用可以摊薄高速DSP、ADC的高成本及高功耗所带来的额外费用。但在数据中心、5G前传链路等短距离高速传输系统中，对成本、功耗、端口密度等性能指标要求更严格，并且偏振色散及偏振相关非线性可以忽略不计，这些特性使得在以数据中心为代表的短距离高速通信系统中要尽可能避免使用昂贵的高速ADC和DSP。所以基于DSP的相干检测并不适用于数据中心，相反直接接收更适合数据中心等场景，而高速的偏振控制器是直接接收中并不可少的器件。其是克服光传输系统中偏振相关损耗和监测仪器偏振的关键元件。再者，即使在相干检测中，利用偏振控制器跟信号光的偏振态使其与本振光的偏振态相匹配可以进一步提高其信噪比。综上，设计出高性能的偏振控制器对光通信系统，特别是可基于PMD-DPSK的高速通信网络是十分必要的。

总之，在现代光通信系统中，偏振控制器是必不可少的关键器件之一。