CN104597551B - 可实现高偏振消光比的偏振片及其制作方法和测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种可实现高偏振消光比的偏振片，所述偏振片的基体采用由铌酸锂晶体切割而成的铌酸锂晶片；所述铌酸锂晶片为片状结构体，铌酸锂晶片的中部设置有柱状的光波导区，光波导区的轴向与铌酸锂晶片的大平面垂直，光波导区贯通铌酸锂晶片；铌酸锂晶片的大平面上光波导区以外的区域，覆盖有阻光膜层；铌酸锂晶片的大平面与铌酸锂晶体的Y‑Z切向或X‑Z切向平行。本发明的有益技术效果是：提供了一种用于替换偏振消光比测试装置中现有偏光棱镜的新的偏振片，使偏振消光比测试装置的测量上限得到提升，改善偏振消光比测试装置的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种偏振消光比测试技术，尤其涉及一种可实现高偏振消光比的偏振片及其制作方法和测试装置。
背景技术
随着激光偏光技术的不断发展，偏光器件在光传感、光电信息处理以及光通信领域的应用越来越广泛。偏振消光比是评价偏光器件性能优劣最主要的性能指标，快速、精确的测量偏光器件的偏振消光比是激光偏光技术应用领域亟待解决的问题之一。
旋转检偏器法是现有技术中测试偏振消光比的主要技术手段，其原理如图1所示，输入光接口、准直透镜、偏光棱镜和光电探测器四者按图中排列方式同光轴设置，旋转电机控制偏光棱镜旋转使入射光束中两个相互正交的偏振分量交替通过偏光棱镜入射至光电探测器中，经信号处理电路后得到两个相互正交偏振分量的光功率Pmax和Pmin，依据公式ER=10×lg（Pmax/Pmin）就可计算得出入射光的偏振消光比；存在的问题是：现有技术中，用于前述旋转检偏器法的偏光棱镜自身的偏振消光比最高仅能达到55dB，且由于光路不可避免的存在装配误差，因此基于前述偏光棱镜的偏振消光比测试装置所能测量的最大偏振消光比一般还要低于55dB，这就使得偏振消光比测试装置的测量上限较低，远不能满足现代精密光学系统中对偏振消光比精确测量的要求。
发明内容
如背景技术中所述，现有的偏振消光比测试装置，由于受限于偏光棱镜的偏振消光比上限，无法对更高的偏振消光比进行测量，于是发明人考虑寻找一种具备很高偏振消光比的器件来替代偏光棱镜，以进一步拓展偏振消光比测试装置的测量上限，为此，发明人进行了大量的探索，并最终提出了本发明的方案，具体方案为：一种可实现高偏振消光比的偏振片，其创新在于：所述偏振片的基体采用由铌酸锂晶体切割而成的铌酸锂晶片；所述铌酸锂晶片为片状结构体，铌酸锂晶片的中部设置有柱状的光波导区，光波导区的轴向与铌酸锂晶片的大平面垂直，光波导区贯通铌酸锂晶片；铌酸锂晶片的大平面上光波导区以外的区域，覆盖有阻光膜层；铌酸锂晶片的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行。
本发明的原理是：基于现有理论可知，退火质子交换工艺制作的铌酸锂光波导自身具有很高的偏振消光比，而且通过在光波导芯片端面光波导芯区以外的区域蒸镀阻光膜层隔离辐射模对导模的串扰，其偏振消光比可达到80dB以上，但受限于常规思路，现有技术中仅在光纤光学系统中应用了退火质子交换铌酸锂光波导的高偏振消光比这一特性；发明人在寻找偏光棱镜的替代物时发现，铌酸锂光波导芯片的高偏振消光比特性与偏光棱镜在偏振消光比测试装置中所起的作用十分契合，于是发明人对此进行了深入研究，并为了使铌酸锂光波导芯片适应偏振消光比测试装置的需求，设计出了一种新结构的偏振片，此偏振片是这样发挥作用的：参见图4，在铌酸锂晶片上制作出光波导区后，光波导区内沿铌酸锂晶体Z切向偏振光矢量的折射率将会增加，而沿铌酸锂晶体Y切向和X切向的偏振光矢量的折射率将会减小，故仅有沿铌酸锂晶体Z切向的偏振光可以在光波导中激励起稳定的导模向前传输，而沿晶体X切向和Y切向的偏振光则形成辐射模进入光波导区以外的区域并被阻光膜层所阻挡，因此通过光波导区向外透射的光波中仅包含沿铌酸锂晶体Z切向的偏振光（铌酸锂晶片的大平面分别与铌酸锂晶体的X-Z切向和Y-Z切向平行时，原理相同，二者的差异仅对工艺有一定影响，后文会另外介绍）；将偏振消光比测试装置中的偏光棱镜替换为前述偏振片后，结合铌酸锂光波导的高偏振消光比性质，即可让偏振消光比测试装置的测量上限得到大幅扩展，改善其性能。
优选地，所述光波导区的横截面呈圆形（圆形为本发明所采用的优选实施方式，具体实施，本领域技术人员还可根据需求或工艺条件将其设置为其他形状），光波导区的直径为4~100mm，所述铌酸锂晶片的形状为与光波导区同心的圆盘形。
优选地，所述铌酸锂晶片在光波导区轴向上的厚度为0.01~1mm。
优选地，所述光波导区采用退火质子交换工艺制作。退火质子交换工艺的工艺步骤及工艺参数与现有技术相同。
优选地，所述铌酸锂晶片的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行。之所以选择Y-Z切向，是因为：铌酸锂晶片的表面取向为X-Z切向时，铌酸锂晶片在退火质子交换工艺中易受到质子交换熔液的腐蚀作用，形成的光波导损耗偏大，稳定性不好。
优选地，所述阻光膜层采用钛膜。
为了便于本领域技术人员实施，本发明还提出了一种可实现高偏振消光比的偏振片的制作方法，具体为：按如下步骤制作偏振片：
1）将铌酸锂晶体切割为铌酸锂晶片；铌酸锂晶片的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行；
2）在铌酸锂晶片的大平面上淀积金属膜层，形成阻光膜层；
3）在铌酸锂晶片正反两侧的大平面上各设置一圆形的操作区，两个操作区直径相同、同轴设置，操作区的直径为4~100mm；采用光刻、显影或腐蚀工艺，去除操作区范围内的阻光膜层；
4）将铌酸锂晶片浸入质子源熔液中进行充分交换，然后将铌酸锂晶片置入退火炉中退火；前述质子源熔液的成分、含量、质子交换时的工艺条件、操作方式以及退火工艺中的各种参数条件均采用现有技术中的优选工艺进行；
加工完成后，两个操作区之间即形成圆柱形的光波导区。
优选地，步骤1）中，切割出的铌酸锂晶片的形状为与光波导区同心的圆盘形，铌酸锂晶片在光波导区轴向上的厚度为0.01~1mm，铌酸锂晶片的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行；步骤2）中，所述金属膜层采用钛膜；步骤3）中，质子源熔液采用苯甲酸和苯甲酸锂组成的缓冲质子源熔液。
基于前述方案，本发明还提出了一种偏振消光比测试装置，其创新在于：所述偏振消光比测试装置由输入光接口、两块准直透镜、偏振片、夹具、旋转电机、光电探测器和信号处理电路组成；所述偏振片的基体采用由铌酸锂晶体切割而成的铌酸锂晶片；所述铌酸锂晶片为片状结构体，铌酸锂晶片的中部设置有圆柱形的光波导区，光波导区的轴向与铌酸锂晶片的大平面垂直，光波导区贯通铌酸锂晶片；铌酸锂晶片的大平面上光波导区以外的区域，覆盖有阻光膜层；光波导区的直径为4~100mm；铌酸锂晶片的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行；所述光波导区的轴心线形成偏振片的光轴；输入光接口、准直透镜、偏振片和光电探测器同光轴设置，其中，偏振片置于两块准直透镜之间，输入光接口和光电探测器分别设置于两块准直透镜的外侧；偏振片通过夹具与旋转电机传动连接，旋转电机能驱动偏振片以偏振片的光轴为旋转轴转动；光电探测器的输出部与信号处理电路电气连接。
优选地，所述铌酸锂晶片在光波导区轴向上的厚度为0.01~1mm；所述铌酸锂晶片的形状为与光波导区同心的圆盘形；所述光波导区采用退火质子交换工艺制作；所述铌酸锂晶片的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行；所述阻光膜层采用钛膜。
本发明的有益技术效果是：提供了一种用于替换偏振消光比测试装置中现有偏光棱镜的新的偏振片，使偏振消光比测试装置的测量上限得到提升，改善偏振消光比测试装置的性能。
附图说明
图1、现有偏振消光比测试装置的原理示意图；
图2、本发明偏振片的大平面结构示意图；
图3、本发明偏振片的轴截面结构示意图；
图4、本发明偏振片的起偏原理示意图（图中X、Y和Z分别表示铌酸锂晶体的X切向、Y切向和Z切向）；
图5、基于本发明方案的偏振消光比测试装置的原理示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：铌酸锂晶片1、光波导区2、阻光膜层3、输入光接口4、两块准直透镜5、旋转电机6、光电探测器7、信号处理电路8、偏光棱镜9、本发明的偏振片10。
具体实施方式
一种可实现高偏振消光比的偏振片，其创新在于：所述偏振片的基体采用由铌酸锂晶体切割而成的铌酸锂晶片1；所述铌酸锂晶片1为片状结构体，铌酸锂晶片1的中部设置有柱状的光波导区2，光波导区2的轴向与铌酸锂晶片1的大平面垂直，光波导区2贯通铌酸锂晶片1；铌酸锂晶片1的大平面上光波导区2以外的区域，覆盖有阻光膜层3；光波导区2的直径为4~100mm；铌酸锂晶片1的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行。
进一步地，所述光波导区2的横截面呈圆形，光波导区2的直径为4~100mm，所述铌酸锂晶片1的形状为与光波导区2同心的圆盘形。
进一步地，所述铌酸锂晶片1在光波导区2轴向上的厚度为0.01~1mm。
进一步地，所述光波导区2采用退火质子交换工艺制作。
进一步地，所述铌酸锂晶片1的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行。
进一步地，所述阻光膜层3采用钛膜。
一种可实现高偏振消光比的偏振片的制作方法，其创新在于：按如下步骤制作偏振片：
1）将铌酸锂晶体切割为铌酸锂晶片1；铌酸锂晶片1的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行；
2）在铌酸锂晶片1的大平面上淀积金属膜层，形成阻光膜层3；
3）在铌酸锂晶片1正反两侧的大平面上各设置一圆形的操作区，两个操作区直径相同、同轴设置，操作区的直径为4~100mm；采用光刻、显影或腐蚀工艺，将操作区范围内的阻光膜层3去掉；
4）将铌酸锂晶片1浸入质子源熔液中进行充分交换，然后将铌酸锂晶片1置入退火炉中退火；
加工完成后，两个操作区之间即形成圆柱形的光波导区2。
进一步地，步骤1）中，切割出的铌酸锂晶片1的形状为与光波导区2同心的圆盘形，铌酸锂晶片1在光波导区2轴向上的厚度为0.01~1mm，铌酸锂晶片1的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行；步骤2）中，所述金属膜层采用钛膜；步骤3）中，质子源熔液采用苯甲酸和苯甲酸锂组成的缓冲质子源熔液。
一种偏振消光比测试装置，其创新在于：所述偏振消光比测试装置由输入光接口4、两块准直透镜5、偏振片10、夹具、旋转电机6、光电探测器7和信号处理电路8组成；
所述偏振片10的基体采用由铌酸锂晶体切割而成的铌酸锂晶片1；所述铌酸锂晶片1为片状结构体，铌酸锂晶片1的中部设置有圆柱形的光波导区2，光波导区2的轴向与铌酸锂晶片1的大平面垂直，光波导区2贯通铌酸锂晶片1；铌酸锂晶片1的大平面上光波导区2以外的区域，覆盖有阻光膜层3；光波导区2的直径为4~100mm；铌酸锂晶片1的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行；所述光波导区2的轴心线形成偏振片10的光轴；
输入光接口4、准直透镜5、偏振片10和光电探测器7同光轴设置，其中，偏振片10置于两块准直透镜5之间，输入光接口4和光电探测器7分别设置于两块准直透镜5的外侧；
偏振片10通过夹具与旋转电机6传动连接，旋转电机6能驱动偏振片10以偏振片10的光轴为旋转轴转动；光电探测器7的输出部与信号处理电路8电气连接。
进一步地，所述铌酸锂晶片1在光波导区2轴向上的厚度为0.01~1mm；所述铌酸锂晶片1的形状为与光波导区2同心的圆盘形；所述光波导区2采用退火质子交换工艺制作；所述铌酸锂晶片1的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行；所述阻光膜层3采用钛膜。
Claims (10)
1.一种可实现高偏振消光比的偏振片，其特征在于：所述偏振片（10）的基体采用由铌酸锂晶体切割而成的铌酸锂晶片（1）；所述铌酸锂晶片（1）为片状结构体，铌酸锂晶片（1）的中部设置有柱状的光波导区（2），光波导区（2）的轴向与铌酸锂晶片（1）的大平面垂直，光波导区（2）贯通铌酸锂晶片（1）；铌酸锂晶片（1）的大平面上光波导区（2）以外的区域，覆盖有阻光膜层（3）；铌酸锂晶片（1）的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行。
2.根据权利要求1所述的可实现高偏振消光比的偏振片，其特征在于：所述光波导区（2）的横截面呈圆形，光波导区（2）的直径为4~100mm，所述铌酸锂晶片（1）的形状为与光波导区（2）同心的圆盘形。
3.根据权利要求1所述的可实现高偏振消光比的偏振片，其特征在于：所述铌酸锂晶片（1）在光波导区（2）轴向上的厚度为0.01~1mm。
4.根据权利要求1所述的可实现高偏振消光比的偏振片，其特征在于：所述光波导区（2）采用退火质子交换工艺制作。
5.根据权利要求1所述的可实现高偏振消光比的偏振片，其特征在于：所述铌酸锂晶片（1）的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行。
6.根据权利要求1所述的可实现高偏振消光比的偏振片，其特征在于：所述阻光膜层（3）采用钛膜。
7.一种可实现高偏振消光比的偏振片的制作方法，其特征在于：按如下步骤制作偏振片（10）：
1）将铌酸锂晶体切割为铌酸锂晶片（1）；铌酸锂晶片（1）的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行；
2）在铌酸锂晶片（1）的大平面上淀积金属膜层，形成阻光膜层（3）；
3）在铌酸锂晶片（1）正反两侧的大平面上各设置一圆形的操作区，两个操作区直径相同、同轴设置，操作区的直径为4~100mm；采用光刻、显影或腐蚀工艺，去除操作区范围内的阻光膜层（3）；
4）将铌酸锂晶片（1）浸入质子源熔液中进行充分交换，然后将铌酸锂晶片（1）置入退火炉中退火；
加工完成后，两个操作区之间即形成圆柱形的光波导区（2）。
8.根据权利要求7所述的可实现高偏振消光比的偏振片的制作方法，其特征在于：步骤1）中，切割出的铌酸锂晶片（1）的形状为与光波导区（2）同心的圆盘形，铌酸锂晶片（1）在光波导区（2）轴向上的厚度为0.01~1mm，铌酸锂晶片（1）的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行；步骤2）中，所述金属膜层采用钛膜；步骤3）中，质子源熔液采用苯甲酸和苯甲酸锂组成的缓冲质子源熔液。
9.一种偏振消光比测试装置，其特征在于：所述偏振消光比测试装置由输入光接口（4）、两块准直透镜（5）、偏振片（10）、夹具、旋转电机（6）、光电探测器（7）和信号处理电路（8）组成；
所述偏振片（10）的基体采用由铌酸锂晶体切割而成的铌酸锂晶片（1）；所述铌酸锂晶片（1）为片状结构体，铌酸锂晶片（1）的中部设置有圆柱形的光波导区（2），光波导区（2）的轴向与铌酸锂晶片（1）的大平面垂直，光波导区（2）贯通铌酸锂晶片（1）；铌酸锂晶片（1）的大平面上光波导区（2）以外的区域，覆盖有阻光膜层（3）；光波导区（2）的直径为4~100mm；铌酸锂晶片（1）的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向或X-Z切向平行；所述光波导区（2）的轴心线形成偏振片（10）的光轴；
输入光接口（4）、准直透镜（5）、偏振片（10）和光电探测器（7）同光轴设置，其中，偏振片（10）置于两块准直透镜（5）之间，输入光接口（4）和光电探测器（7）分别设置于两块准直透镜（5）的外侧；
偏振片（10）通过夹具与旋转电机（6）传动连接，旋转电机（6）能驱动偏振片（10）以偏振片（10）的光轴为旋转轴转动；光电探测器（7）的输出部与信号处理电路（8）电气连接。
10.根据权利要求9所述的偏振消光比测试装置，其特征在于：所述铌酸锂晶片（1）在光波导区（2）轴向上的厚度为0.01~1mm；所述铌酸锂晶片（1）的形状为与光波导区（2）同心的圆盘形；所述光波导区（2）采用退火质子交换工艺制作；所述铌酸锂晶片（1）的大平面与铌酸锂晶体的Y-Z切向平行；所述阻光膜层（3）采用钛膜。
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| "高芯片偏振消光比铌酸锂多功能集成光学器件";华勇 等;《半导体光电》;20140430;第35卷(第2期);正文第1.1小节，第1.3小节，第2.2小节、图4，5 * |
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