平衡接收机和通信系统的制作方法

[0001]
本公开涉及通信技术领域，特别涉及一种平衡接收机和通信系统。


背景技术：

[0002]
相干光通信具有灵敏度高，中继距离长，波长选择性好，通信容量大，可采用多种调制方式等众多优点，使其成为未来激光通信技术发展极具潜力的选择，因此，作为相干光通信系统的核心器件，平衡接收机近年来得到了广泛的研究。


技术实现要素：

[0003]
本公开实施例提供了一种平衡接收机和通信系统，该平衡接收机具有噪声低，灵敏度高，体积小，成本低的特点。所述技术方案如下：
[0004]
一方面，提供一种平衡接收机，所述平衡接收机包括：
[0005]
两条平行的波导，分别用于传输信号光和本振光，所述信号光和本振光的波长相同、频率相同、偏振态相同、初始相位差为π/2，且所述信号光和本振光在两条所述波导中相互耦合并发生相干；
[0006]
探测器，沿垂直于所述波导的长度方向铺设在两条所述波导上，且所述探测器位于所述信号光和本振光相干最强的位置，所述探测器用于分别接收两条所述波导耦合出的光，将所述波导耦合出的光转换为电流，并差分得到差分电流；
[0007]
处理单元，与所述探测器连接，用于对所述差分电流进行放大处理并输出。
[0008]
可选地，所述探测器，包括：
[0009]
光电转换材料块，所述光电转换材料块沿垂直于所述波导的长度方向铺设在所述波导上；
[0010]
金属电极，设置在所述光电转换材料块的两端，所述金属电极与所述处理单元连接。
[0011]
可选地，所述光电转换材料块的材料为石墨烯或者碳纳米管。
[0012]
可选地，所述光电转换材料块两端的金属电极为同种电极。
[0013]
可选地，所述金属电极的材料为钯pd或金au。
[0014]
可选地，沿所述波导的长度方向上间隔布置有多个并联的所述探测器。
[0015]
可选地，多个并联的所述探测器的位置按如下公式布置：
[0016]
x＝l/4+nl；
[0017]
其中，x为距离所述波导的输入端的距离，l为所述波导中信号光的功率变化的长度周期，n为正整数。
[0018]
可选地，所述光电转换材料块为矩形；
[0019]
所述光电转换材料块在垂直于所述波导的长度方向上的宽度小于或等于l/2，l为所述波导中信号光的功率变化的长度周期。
[0020]
可选地，所述探测器的数量为50个。
[0021]
另一方面，提供一种通信系统，所述通信系统包括如前所述的平衡接收机。
[0022]
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
[0023]
本公开实施例属于光电通信技术领域，提供了一种自差分的平衡相干接收机，简称平衡接收机。该平衡接收机在工作时，将信号光和本振光分别注入所述二条平行耦合波导中，使得信号光和本振光在所述平行耦合波导中产生相干混频；初始相位差为π/2的信号光和本振光在所述平行耦合波导中形成稳定相干光强分布；在所述平行耦合波导的相干最强的位置铺设探测器；在探测器两端分别吸收相干加强光和相干减弱光而产生光电流，两端产生的光电流在探测器内部发生复合抵消，完成自差分，进而输出两端的光电流的差值，然后由处理单元进行放大处理，最终实现自平衡的相干接收。本公开提供的自差分的平衡相干接收机，通过两波导耦合相干实现相干解调，并利用探测器实现自差分特性完成相干接收的平衡输出，该平衡接收机具有噪声低，灵敏度高，体积小，成本低的特点。
附图说明
[0024]
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]
图1是本公开实施例提供的一种平衡接收机的结构示意图；
[0026]
图2是本公开实施例提供的两条波导中的相干示意图；
[0027]
图3是本公开实施例提供的自差分示意图。
具体实施方式
[0028]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
[0029]
图1是本公开实施例提供的一种平衡接收机的结构示意图。参见图1，所述平衡接收机包括：两条平行的波导101、探测器102和处理单元103。
[0030]
两条平行的波导101，分别用于传输信号光和本振光，所述信号光和本振光的波长相同、频率相同、偏振态相同、初始相位差为π/2，且所述信号光和本振光在两条所述波导中相互耦合并发生相干；这里，信号光和本振光相互耦合使得部分信号光和本振光同时存在于一个波导中，信号光和本振光在同一个波导中发生相干。
[0031]
探测器102，沿垂直于所述波导101的长度方向铺设在两条所述波导101上，且所述探测器102位于所述信号光和本振光相干最强的位置，所述探测器102用于分别接收两条所述波导101耦合出的光，将所述波导耦合出的光转换为电流，并差分得到差分电流；
[0032]
处理单元103，与所述探测器102连接，用于对所述差分电流进行放大处理并输出。
[0033]
在本公开实施例中，信号光和本振光都是波长相同的激光信号，二者波形相同，但初始相位存在π/2的相位差，信号光和本振光都是线偏振光，信号光和本振光以相同的偏振态分别注入到两条平行耦合波导中，从而使得信号光和本振光能够在两条波导中相互耦合并发生相干。
[0034]
图2是本公开实施例提供的两条波导中的相干示意图。图2所示为波导101截面方
向示意图，参见图2，在发生相干时，在两条平行的波导101中，一条波导101中相干加强，另一条波导101中相干减弱。因此，探测器102在一条波导101上位于所述信号光和本振光相干最强的位置，也即位于相干光场的相干加强区(图2中标号a)，在另一条波导101上，探测器102则位于，所述信号光和本振光相干最弱的位置，也即位于相干光场的相干减弱区(图2中标号b)。
[0035]
在所述两条平行的波导101中，信号光和本振光需要满足初始相位差为π/2的条件，才能在两波导101间形成最强的、稳定的相干光场分布。
[0036]
在本公开实施例中，探测器102同时铺设在两条波导101上方，使得探测器102可以同时接收到两条波导101耦合出的相干光，从而使得探测器的两端能够同时发生光电转换产生光电流，由于探测器两端发生相干的程度不同，一端是相干加强，一端是相干减弱，从而造成两端转换产生的电流大小不同，从而能够发生差分，得到差分电流。通过上述差分过程，可以消除电流中的噪声，从而提高信号精度，为后续信号处理提供基础。
[0037]
本公开实施例属于光电通信技术领域，提供了一种自差分的平衡相干接收机简称平衡接收机，可以用于替代传统相干接收机的平衡探测器。该平衡接收机在工作时，将信号光和本振光分别注入所述二条平行耦合波导中，使得信号光和本振光在所述平行耦合波导中产生相干混频；初始相位差为π/2的信号光和本振光在所述平行耦合波导中形成稳定相干光强分布；在所述平行耦合波导的相干最强的位置铺设探测器；在探测器两端分别吸收相干加强光和相干减弱光而产生光电流，两端产生的光电流在探测器内部发生复合抵消，完成自差分，进而输出两端的光电流的差值，然后由处理单元进行放大处理，最终实现自平衡的相干接收。本公开提供的自差分的平衡相干接收机，通过两波导耦合相干实现相干解调，并利用探测器实现自差分特性完成相干接收的平衡输出，该平衡接收机的差分过程是基于载流子复合实现的，内部抵消了直流分量的噪声，具有噪声低，灵敏度高，体积小，成本低的特点。
[0038]
在本公开实施例中，波导101可以为集成光波导，包括平面介质光波导和条形介质光波导，例如硅波导。波导101也可以为圆柱形光波导，例如光纤。需要说明的是，由于在本公开中，需要在波导101上方铺设探测器，以接收耦合相干光，因此，无论采用何种材料作为波导101，波导101与探测器102接触的部分必须透光，从而保证探测器102可以实现光电转换。
[0039]
在本公开实施例中，信号光和本振光均为激光，信号光和本振光的波长可以在1550nm作用。
[0040]
在本公开实施例中，信号光和本振光既可以采用传输线路同时传输到接收端，由平衡接收机进行相干接收，也可以在传输线路中只传输信号光，由本地设备提供本振光，从而完成相干接收。
[0041]
示例性地，可以在本地设置本振光源，用来提供前述本振光，本振光源提供的本振光和信号光之前满足前述关系。
[0042]
如图1所示，在本公开实施例中，所述探测器102，可以包括：
[0043]
光电转换材料块121，所述光电转换材料块121沿垂直于所述波导101的长度方向铺设在所述波导101上；
[0044]
金属电极122，设置在所述光电转换材料121块的两端，所述金属电极122与所述处
理单元103连接。
[0045]
图1中方向a为波导101的长度方向，图1中方向b为垂直于波导101的长度方向。
[0046]
图3是本公开实施例提供的自差分示意图，下面结合图3对探测器102实现自差分的过程进行简单说明。参见图3，通过光电转换材料块121进行相干光的接收；在光电转换材料块121两端设置相同材料的金属电极122，光电转换材料块121和金属电极122之间形成势垒(图3中标号c)，相干光照射在光电转换材料块121上，分离出电子和空穴，由于势垒的存在，位于左端的电子向右端移动，位于右端的电子向左端移动，且右端电子和左端空穴复合(发热)相消，左端电子和右端空穴复合相消，由于两端接收的相干光强度不同，因此，左右两端空穴和电子的数量不同，进而导致，一端电子未完全消除，另一端空穴未完全消除，这部分电子和空穴溢出，在探测器102和处理单元103构成的回路上形成差分电流。需要说明的是，图3中虚线部分只是为了表现势垒高度以及电子移动，并探测器102的结构。
[0047]
参见图3，探测器在光入射条件下会因光斑位置不同而导致输出电流大小甚至方向发生改变，在相干光分别照射探测器的两端时，其输出光电流是探测器两端电极附近产生的两路光电流在中心复合获得的差分电流：
[0048]
i
out
＝i
1-i2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0049]
其中，i
out
为输出光电流，i1和i2分别为两端电极附近产生的两路光电流。
[0050]
再次参见图2，结合相干混频技术，在探测器的两端光电流分别对应相干加强区与相干减弱区，进行零差探测(也即信号光和本振光的频率相同)，可直接获得最大的差分电流输出项：
[0051][0052][0053][0054]
其中，r为探测器的吸收转换效率，p
s
为信号光的功率，p
lo
为本振光的功率，信号光和本振光的功率均周期变化。
[0055]
在公式(2)和(3)中，0.5r(p
s
+p
lo
)为直流分量，剩余部分为交流分量，从公式(4)可以看出，两路信号中直流分量在器件内部以载流子复合形式被消除，因此，与直流相关的强度噪声被消除(远大于交流成分噪声)。
[0056]
示例性地，所述光电转换材料块121的材料为石墨烯。该光电转换材料块121的材料为石墨烯时，光电转换材料块121可以为石墨烯纳米带。
[0057]
在平行耦合波导101中相干最强处铺上石墨烯，石墨烯两端间距不大，通过平行耦合波导将信号光与本振光相干耦合形成稳定相干光场分布，石墨烯利用倏逝波耦合原理吸收相干光；在两端铺上同种金属电极，构成所述石墨烯探测器，利用石墨烯同种电极的光响应电流自差分特性，在石墨烯内部完成光电流直流部分的差分抵消，完成自差分，输出相干混频信号(相干混频是指信号光和本振光相干混合在一起的信号分量)。由于石墨烯的载流子迁移率高，可实现超高速高灵敏的相干信号输出，从而可以提高整个平衡接收机的带宽。
[0058]
本公开实施例提供的平衡接收机，通过采用石墨烯探测器与平行耦合波导结合方
式，使得石墨烯探测器两端分别位于平行耦合波导上信号光和本振光的相干加强区和相干减弱区所对应的位置，利用石墨烯与同种电极的自差分特性完成相干接收的平衡探测功能。在利用石墨烯高速特性实现高带宽的同时，简化了接收机的结构，降低接收机噪声，提高灵敏度。在发挥石墨烯高速载流子迁移率优势的同时，抑制了本振光电流的产生，从而进一步减小了光电流散粒噪声，有效改善了输出信号的信噪比。
[0059]
进一步地，探测器102中光电转换材料块121的材料还可以为碳纳米管或其他材料，本公开实施例对此不做限定。
[0060]
在本公开实施例中，所述光电转换材料块121两端的金属电极为同种电极，同种电极是指光电转换材料块121两端的金属电极的材料相同。
[0061]
在一种可能的实现方式中，所述金属电极122的材料为钯pd或金au。
[0062]
这些材料的金属电极一方面可以保证前述势垒的形成，另一方面导电率高，能够提高整个平衡接收机的带宽。
[0063]
在其他可能的实现方式中，该金属电极122也可以采用其他材料，例金、银等，但无论采用哪种材料，需要保证探测器102两端的金属电极122的材料相同。
[0064]
在本公开实施例中，沿所述波导101的长度方向上间隔布置有多个并联的所述探测器102。
[0065]
在本公开实施例中，通过并联方式多级吸收，提高整体接收机的光电响应度，提高输出给处理单元的电流大小，从而提高整个平衡接收机的准确度。
[0066]
在本公开实施例中，多个并联的所述探测器102的位置按如下公式布置：
[0067]
x＝l/4+nl
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0068]
其中，x为距离所述波导101的输入端的距离，l为所述波导101中信号光的功率变化的长度周期，n为正整数。
[0069]
在平行耦合波导中，两波导中的光功率随着波导长度变化而不断变化的，且变化规律存在周期性，因此，探测器需要选择合适位置放置，从而保证每个探测器都位于平行耦合波导上信号光和本振光的相干加强区和相干减弱区。
[0070]
下面结合公式对探测器102的位置分布进行简单说明：
[0071]
将平行耦合波导中光功率随波导长度变化的周期设为l，l的大小与波导耦合系数相关，如2π＝k
c
l，k
c
是波导耦合系数，k
c
与波导材料、结构参数、入射波长等参数相关。以平行条形波导为例，设定两个平行波导高度宽度均为a，波导间距为c，波导材料折射率为n1，波导外空间折射率为n2，入射光的波长为λ，入射光的波数为k0(也即为2π/λ)，横模传播，则耦合系数具体如公式(6)所示：
[0072][0073]
其中，β是光在波导内的传播常数，k
x
是波导内传播常数横向分量，p
x
是波导外部(包层)的传播常数横向分量。
[0074]
[0075]
信号光的功率p
s
，本振光的功率p
lo
，则上下波导中的信号光功率和本振光功率随波导长度x的变化如下(上标1表示信号光入射的波导，上标2表示本振光入射的波导)：
[0076][0077][0078]
考虑信号光和本振光初始相位差以及波导耦合过程中的相位变化，在两条波导中信号光与本振光的相位差分别为0和π时，会分别发生相干加强和相干减弱，相干光强分布也呈现与l相关的周期变化趋势，两条波导中的光功率分布为：
[0079][0080][0081]
从平行波导的两个波导中光场分布可以看到，只有当2πx/l＝π/2+2nπ，即x＝l/4+nl时，相干混频部分最大且直流部分相等完全抵消，因此探测器应放置在x＝l/4+nl的位置，才能获得最佳的相干探测输出。
[0082]
在本公开实施例中，所述光电转换材料块121的横截面为矩形；
[0083]
所述光电转换材料块121在垂直于所述波导101的长度方向上的宽度小于或等于l/2，l为所述波导101中信号光的功率变化的长度周期。
[0084]
由于光电转换材料块121存在一定宽度，且光电转换材料块121对光的吸收转换效率r较低，宽度为d的光电转换材料块121的输出光电流应为：
[0085][0086]
从公式(9)可以看出，光电转换材料块121的宽度最大只能到l/2,超过该宽度反而会降低总输出电流。同时，由于单个光电转换材料块121的总体响应较低，很难形成有效的差分输出，因此，采用多个探测器并联，保证整体输出。
[0087]
以多个探测器中光电转换材料块121的宽度之和为l
s
为例。每个光电转换材料块121的宽度均相同，则完全吸收条件下，总的输出光电流可简化表示为：
[0088][0089]
根据上式分析，总输出光电流对于d的函数是一个单调递减函数，这也就意味着，采用多个探测器并联实现光信号全吸收时，光电转换材料块121的宽度d越小越好，这样才能获得最大响应输出电流。
[0090]
但光电转换材料块121的宽度不可能完全趋近于零，而光电转换材料块121的数量也不可能制造太多，最终需要根据工艺条件，选择合适的光电转换材料块121宽度以及光电转换材料块121的数量，构建合适的自差分平衡相干接收机。
[0091]
示例性地，所述光电转换材料块121在垂直于所述波导101的长度方向上的宽度小于平行耦合波导中光功率随波导长度变化的周期l，从而避免一整块光电转换材料块121同时覆盖几个周期，造成不同周期间光电流抵消影响输出。
[0092]
例如，光电转换材料块121的宽度范围可以在um量级，例如1～10um。
[0093]
示例性地，所述光电转换材料块121的长度与波导耦合系数及势垒宽度相关，光电转换材料块121的长度在um量级，例如1～10um。该光电转换材料块121的宽度限定了波导之间的间距，通过将波导间的间距限定在上述范围内，保证了两个波导中信号光和本振光能够发生耦合。
[0094]
示例性地，所述光电转换材料块121的数量可以为50个，也即探测器的数量为50个，每个探测器对于光的吸收率约为2％，通过50个探测器完成光信号的吸收。
[0095]
在本公开实施例中，假设需要探测器对于本振光和信号光的吸收率达到一定的百分比，例如50％，然后基于每个光转换材料块121可以吸收的比例，确定光电转换材料块121的数量。
[0096]
另外，在确定出光电转换材料块121的数量后，基于前述光电转换材料块121布置的位置(也即探测器的布置位置)，以及周期长度l的大小，可以确定出波导101的长度。为了避免波导101的长度过长，造成整个平衡接收机的体积过大，前述光电转换材料块121的数量不宜过多。
[0097]
在本公开实施例中，两条波导101的距离越近，则耦合效果越好，但距离太近会导致光电转换材料121与两个波导101接触的两端的距离过近，可能就无法达到理想的差分效果。因此在本公开实施例中，所述光电转换材料块121的长度为。
[0098]
在本公开实施例中，处理单元103可以包括放大器，由于探测器102输出的差分电流较小，为了保证输出信号的大小，可以对探测器102输出的差分电流进行放大，使得整个平衡接收机最终获得低噪声的电信号。
[0099]
进一步地，该处理单元103除了对信号进行放大外，还可以进行信号滤波或者其他处理过程，本公开实施例对此不做限制。
[0100]
相应地，该处理单元103还可以包括滤波器，通过滤波器除掉信号中的噪声。
[0101]
再例如，该处理单元还可以包括整形电路，对信号进行整形处理。
[0102]
本公开实施例还提供了一种通信系统，该通信系统包括发送端和接收端，发送端和接收端之间通信。
[0103]
该通信系统的接收端包括如图1所示的平衡接收机。
[0104]
本公开实施例属于光电通信技术领域，提供了一种自差分的平衡相干接收机简称平衡接收机，可以用于替代传统相干接收机的平衡探测器。该平衡接收机在工作时，将信号光和本振光分别注入所述二条平行耦合波导中，使得信号光和本振光在所述平行耦合波导中产生相干混频；初始相位差为π/2的信号光和本振光在所述平行耦合波导中形成稳定相干光强分布；在所述平行耦合波导的相干最强的位置铺设探测器；在探测器两端分别吸收相干加强光和相干减弱光而产生光电流，两端产生的光电流在探测器内部发生复合抵消，完成自差分，进而输出两端的光电流的差值，然后由处理单元进行放大处理，最终实现自平衡的相干接收。本公开提供的自差分的平衡相干接收机，通过两波导耦合相干实现相干解调，并利用探测器实现自差分特性完成相干接收的平衡输出，该平衡接收机具有噪声低，灵敏度高，体积小，成本低的特点
[0105]
以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。