100G系统中PM－QPSK光解调器的研究

源的光信号和从光纤中接收到的信号光分别经过2个PBS结构，将两路光信号分别分为2个正交的极化模式，四路光信号可以表示为：

（2）

其中Esx,Esy,ELO.x,ELO.y分别表示信号光和本地振荡源的TE、TM模式的光信号，α表示信号光TE模所占比例，δ表示初始相位，ws表示信号光角频率，As表示信号光的振幅。

信号光和本地振荡源的TE、TM模光信号，分别进入对应的90°混频器，所得到的检测信号分别为：

(3)

再经过平衡光电探测器，最后所得到的差分电流可以表示为：

(4)

这样就将光学属性转移到电域中，通过对电信号的后期数字处理，就可以解调出所需的信息。

根据这种结构，可以用自由空间集成光学和平面光波导回路(PLC)这两种技术来实现这种光学解调器模块，但是传统的自由空间集成光学技术设计出的PM-QPSK光解调器，体积较大，而且对大范围温度变化敏感，而用PLC技术制作的PM-QPSK光解调器不仅可以实现全部的光学功能，而且能将保偏光波导(PBS)与90°混频器单片集成，大幅度降低了器件的尺寸，且稳定性好，易于集成。

这种用PLC技术设计的单片集成解调器芯片结构有以下两种方案，第一种方案如图4(a)所示，首先输入信号通过一个基于MZI(马赫曾德干涉)结构的PBS，将输入信号分为TE和TM两个偏振态(此为第一级偏振分束),并沿上下两个支路传播，这两路偏振信号再分别经过2个PBS结构，使得TE模和TM模进一步分开(此为第二级偏振分束)，通过这两级偏振分束可以大幅度改善偏振消光比。上支路传播的TE模信号光，经过一个与主轴成45°的半波片，转化为TM模信号，另一方面，我们将从本地振荡源输入的光控制为TM模式，这个输入的光信号经过一个3dB耦合器，分为上下两路光信号，并与上支路转化的TM模信号光和下支路的TM模信号光一起分别导入上下两个90°混频器，并解调输出8路光信号。在OFC2010上,Furukawa公司按这种方案设计制作出的芯片尺寸可以达到25×21mm,最小偏振消光比33.2dB[4]。

第二种方案如图4（b）所示，这种设计方案采取相对折射率为Δ=1.8%的硅基二氧化硅波导材料，因为随着Δ的增加，在波导的强折射率限制下，波导的弯曲半径可以变小，当Δ=1.8%时，可使波导弯曲程度最大，且弯曲损耗最理想，此时弯曲半径为1200um，为传统的结构弯曲半径的一半，这样可以大幅度降低芯片尺寸，并且只用一级偏振分束，就能将TE与TM模信号较好的分离。NTT公司在EOCO2010会议,按这种方案设计制作出的超小型芯片尺寸可以达到12×12mm,符合了OIF对光学解调器尺寸的要求[5]。

图4 两种方案波导结构图

总结

100G技术已经成熟，市场已经初步形成，用PLC技术制作成的光前端数字相干接收机，是实现100G高速信号解调必不可少的器件，具有极大地研究价值。本文介绍了PM-QPSK的原理，及数字相干发射机和接收机的工作原理，并详细分析了接收机前端光PM-QPSK解调器的原理，并介绍两种基于PLC技术的解调器芯片的设计方案。