CN111399118A - 一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器。本发明由1×2多模干涉耦合器、多段式相移器与2×2多模干涉耦合器依次级联构成马赫曾德尔干涉器结构。1×2多模干涉耦合器由第一锥状波导、第二锥状波导、第三锥状波导与多模波导构成。2×2多模干涉耦合器由第一锥状波导、第二锥状波导、第三锥状波导、第四锥状波导与多模波导构成。多段式相移器由第一干涉臂与第二干涉臂构成。第一干涉臂由第一连接波导、第一相移波导、第二连接波导、第二相移波导与第三连接波导依次连接。第二干涉臂由第四连接波导、第三相移波导、第五连接波导、第四相移波导与第六连接波导依次连接。本发明具有消光比高、损耗低、结构简单、设计简易、加工简便的特点。

Description

一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器
技术领域
本发明具体涉及一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，适用于光纤通信、片上光通信、光传感***、量子光学***中需要偏振分束、偏振合束、偏振滤波的应用场合。
背景技术
铌酸锂具有较强的电光效应、较强的非线性效应与较好的热稳定性，因此被广泛应用于电光调制器、波长转换器等集成光学器件。近年来，伴随着薄膜铌酸锂加工制备工艺的成熟，基于薄膜铌酸锂波导的超小型集成光学器件得以迅速发展。由于薄膜铌酸锂波导具有较高的折射率差与较小的模斑尺寸，使得这类波导具有较强的双折射特性，因此基于薄膜铌酸锂波导的集成光学器件大多具有较强的偏振相关性，并只能工作在单偏振条件下。因此，需要利用偏振分束器将输入信号中的不同偏振态分离，或将工作偏振之外的偏振态滤除。此外，薄膜铌酸锂波导具有较好的保偏特性，不同偏振态在传输过程不产生串扰。因此，对于光通信***，可以将信号加载在不同偏振态上，并利用偏振分束器将信号合束，从而在不增加波长通道的情况下，将通道容量翻倍。对于光传感***，由于不同偏振态对环境参量变化的敏感度不同，因此可以利用偏振分束器对多个环境参量同时进行监控。对于量子光学***，可以利用偏振分束器实现不同偏振态之间的量子纠缠。
目前，集成型偏振分束器的设计思路大多基于不对称耦合器结构，通过调节耦合器的结构参数，使得一个偏振态满足相位匹配条件，同时另一偏振态则相位失配，从而将不同偏振态分离。然而，铌酸锂是一种各向异性材料，并且通常需要采用x切薄膜以保证最大的电光调制效率与波长转换效率，导致不同传输方向的薄膜铌酸锂波导通常具有不同的有效折射率，这极大地增加了不对称耦合器的设计难度。因此，需要一种新的技术方案，用于实现基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器。通过级联偏振不敏感的多模干涉耦合器与多段式相移器，并对相移器中薄膜铌酸锂波导的传输方向与传输长度进行调控，实现TE基模与TM基模在相移器中传输相位的独立控制，进而将输入光中的TE偏振态与TM偏振态分离。
本发明提出的基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器由1×2多模干涉耦合器(I)、多段式相移器(II)、2×2多模干涉耦合器(III)依次级联构成马赫曾德尔干涉器结构。其中，输入波导(0)与1×2多模干涉耦合器(I)中的第一锥状波导(31)相连，1×2多模干涉耦合器(I)中的第二锥状波导(32)、第三锥状波导(33)分别与多段式相移器(II)中的第一连接波导(11)、第四连接波导(14)相连，多段式相移器(II)中第三连接波导(13)、第六连接波导(16)分别与2×2多模干涉耦合器(III)中的第一锥状波导(41)、第二锥状波导(42)相连，2×2多模干涉耦合器(III)中的第三锥状波导(43)、第四锥状波导(44)分别与第一输出波导(1)、第二输出波导(2)相连。多段式相移器(II)由两根干涉臂组成，其中第一连接波导(11)、第一相移波导(21)、第二连接波导(12)、第二相移波导(22)、第三连接波导(13)依次连接构成第一干涉臂(II-1)，第四连接波导(14)、第三相移波导(23)、第五连接波导(15)、第四相移波导(24)、第六连接波导(16)依次连接构成第二干涉臂(II-2)。
在本发明中，输入光由输入波导(0)传输至偏振不敏感的1×2多模干涉耦合器(I)后，以相同的强度与相位分为两束，并进入第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)。其中输入第一干涉臂(II-1)的光信号依次通过第一连接波导(11)、第一相移波导(21)、第二连接波导(12)、第二相移波导(22)、第三连接波导(13)，并通过第一锥状波导(41)进入2×2多模干涉耦合器(III)；输入第二干涉臂(II-2)的光信号依次通过第四连接波导(14)、第三相移波导(23)、第五连接波导(15)、第四相移波导(24)、第六连接波导(16)，并通过第二锥状波导(42)进入2×2多模干涉耦合器(II)。光信号在第一相移波导(21)与第三相移波导(23)主要沿y方向传播，因此在其中传输的TE基模是非常光，而在其中传输的TM基模是寻常光。光信号在第二相移波导(22)与第四相移波导(24)主要沿z方向传播，因此在其中传输的TE基模与TM基模都是寻常光。通过控制第一相移波导(21)与第三相移波导(23)的长度差，以及第二相移波导(22)与第四相移波导(24)的长度差，可以使得TE基模在通过多段式相移器(II)之后，在第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)之间产生﹣90°相位差，同时TM基模在通过多段式相移器(II)之后，在第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)之间产生+90°相位差。输入光中的TE基模在进入偏振不敏感的2×2多模干涉耦合器(III)后，由于具有﹣90°相位差，被完全耦合至第一输出波导(1)。输入光中的TM基模在进入偏振不敏感的2×2多模干涉耦合器(III)后，由于具有+90°相位差，被完全耦合至第二输出波导(2)。
本发明具有的有益的效果是：
(1)通过调控薄膜铌酸锂波导的传输方向与传输长度，可以对TE基模与TM基模在多段式相移器中的传输相位进行独立控制，从而实现TE偏振态与TM偏振态的完全分离。
(2)具有结构简单、设计简易、加工简便的优势。
(3)具有消光比高(大于40dB)、损耗低(小于0.9dB)、工作带宽大(大于200nm)以及加工容差大(波导宽度容差﹣10nm至+10nm)等优异性能。
附图说明
图1给出了本发明基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器示意图；
图中：I、1×2多模干涉耦合器，II、多段式相移器，III、2×2多模干涉耦合器，II-1、第一干涉臂，II-2、第二干涉臂，0、输入波导，1、第一输出波导，2、第二输出波导，11、第一连接波导，12、第二连接波导，13、第三连接波导，14、第四连接波导，15、第五连接波导，16、第六连接波导，21、第一相移波导，22、第二相移波导，23、第三相移波导，24、第四相移波导。
图2是1×2多模干涉耦合器(I)结构示意图；
图中：31、第一锥状波导，32、第二锥状波导，33、第三锥状波导，34、多模波导。
图3是2×2多模干涉耦合器(III)结构示意图；
图中：41、第一锥状波导，42、第二锥状波导，43、第三锥状波导，44、第四锥状波导，45、多模波导。
图4是单模铌酸锂波导横截面示意图；
图中：51、铌酸锂芯层，52、二氧化硅衬底层与上包层
图5是各个输出端口的透射率频谱仿真曲线。
具体实施方式
下面结合附图和基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器的实施实例对本发明作进一步说明。
选用基于铌酸锂绝缘体(Lithium-Niobate On Insulator，LNOI)材料的薄膜铌酸锂波导，其芯层为铌酸锂材料，厚度为700nm；其衬底层为二氧化硅材料，厚度为2μm；其上包层为二氧化硅材料，厚度为2μm。在此实施例中，所有波导结构的侧壁倾角均为70°，多段式相移器(II)中所有单模薄膜铌酸锂波导的宽度均为300nm。
输入波导(0)、第一输出波导(1)、第二输出波导(2)的传输方向均为y方向。第一相移波导(21)、第三相移波导(23)均由弯曲波导与y方向传输的直波导组成。第二相移波导(22)、第四相移波导(24)均由弯曲波导与z方向传输的直波导组成。第一相移波导(21)与第三相移波导(23)的长度差为﹣13.79μm，第二相移波导(22)与第四相移波导(24)的长度差为+13.64μm。第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)中所有弯曲波导的半径均为25μm。
1×2多模干涉耦合器(I)中第一锥状波导(31)、第二锥状波导(32)、第三锥状波导(33)的开口宽度均为700nm，长度均为2μm。1×2多模干涉耦合器(I)中多模波导(34)的宽度为4.5μm，长度为9.3μm。2×2多模干涉耦合器(III)中第一锥状波导(41)、第二锥状波导(42)、第三锥状波导(43)、第四锥状波导(44)的开口宽度均为700nm，长度均为2μm。2×2多模干涉耦合器(III)中多模波导(45)的宽度为4.5μm，长度为20.4μm。
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。

Claims (6)

1.一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，其特征在于由如下部分组合构成：1×2多模干涉耦合器(I)、多段式相移器(II)与2×2多模干涉耦合器(III)依次级联构成马赫曾德尔干涉器结构；所述1×2多模干涉耦合器(I)由第一锥状波导(31)、第二锥状波导(32)、第三锥状波导(33)与多模波导组成(34)；所述1×2多模干涉耦合器(I)中的第一锥状波导(31)与输入波导(0)连接；所述2×2多模干涉耦合器(III)由第一锥状波导(41)、第二锥状波导(42)、第三锥状波导(43)、第四锥状波导(44)与多模波导(45)构成；所述2×2多模干涉耦合器(III)中的第三锥状波导(43)、第四锥状波导(44)分别与第一输出波导(1)、第二输出波导(2)连接；所述多段式相移器(II)由第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)构成；所述第一干涉臂(II-1)由第一连接波导(11)、第一相移波导(21)、第二连接波导(12)、第二相移波导(22)、第三连接波导(13)依次连接构成；所述第二干涉臂(II-2)由第四连接波导(14)、第三相移波导(23)、第五连接波导(15)、第四相移波导(24)、第六连接波导(16)依次连接构成。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，其特征在于输入光由输入波导(0)传输至偏振不敏感的1×2多模干涉耦合器(I)后，以相同的强度与相位分为两束，并进入第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)；其中输入第一干涉臂(II-1)的光信号依次通过第一连接波导(11)、第一相移波导(21)、第二连接波导(12)、第二相移波导(22)、第三连接波导(13)，并通过第一锥状波导(41)进入2×2多模干涉耦合器(III)；输入第二干涉臂(II-2)的光信号依次通过第四连接波导(14)、第三相移波导(23)、第五连接波导(15)、第四相移波导(24)、第六连接波导(16)，并通过第二锥状波导(42)进入2×2多模干涉耦合器(III)；光信号在第一相移波导(21)与第三相移波导(23)主要沿y方向传播，因此在其中传输的TE基模是非常光，而在其中传输的TM基模是寻常光；光信号在第二相移波导(22)与第四相移波导(24)主要沿z方向传播，因此在其中传输的TE基模与TM基模都是寻常光；通过控制第一相移波导(21)与第三相移波导(23)的长度差，以及第二相移波导(22)与第四相移波导(24)的长度差，能够使得TE基模在通过多段式相移器(II)之后，在第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)之间产生﹣90°相位差，同时TM基模在通过多段式相移器(II)之后，在第一干涉臂(II-1)与第二干涉臂(II-2)之间产生+90°相位差；输入光中的TE基模在进入偏振不敏感的2×2多模干涉耦合器(III)后，由于具有﹣90°相位差，被完全耦合至第一输出波导(1)；输入光中的TM基模在进入偏振不敏感的2×2多模干涉耦合器(III)后，由于具有+90°相位差，被完全耦合至第二输出波导(2)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，其特征在于第一相移波导(21)、第三相移波导(23)均由弯曲波导与y方向传输的直波导构成；第二相移波导(22)、第四相移波导(24)均由弯曲波导与z方向传输的直波导构成。
4.根据权利要求3所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，其特征在于所述第一相移波导(21)、第三相移波导(23)的长度差，以及第二相移波导(22)、第四相移波导(24)的长度差能够保证TE基模产生﹣90°相位差，同时保证TM基模产生+90°相位差。
5.根据权利要求3所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，其特征在于所述输入波导(0)中输入的TE基模能够传输至第一输出波导(1)。
6.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，其特征在于所述输入波导(0)中输入的TM基模能够传输至第二输出波导(2)。
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