CN108490649A - 采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器 - Google Patents

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舒平
田自君
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Abstract

本发明公开了一种采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器，其创新在于：述铌酸锂电光相位调制器包括铌酸锂芯片和四分之一玻片；本发明的有益技术效果是：提出了一种采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器，该装置结构简单巧妙，可以在不降低任何指标的条件下，实现完全的偏振无关调制。

Description

采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器
技术领域
本发明涉及一种铌酸锂电光相位调制器，尤其涉及一种采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器。
背景技术
量子通信的量子密钥分发系统中，一般采用相位调制器进行相位编码；通常的相位调制器与光的偏振方向存在相关性，即对不同偏振方向的光的调制效率不同，偏振相关的损耗也不相同。由于系统光路中的光纤存在双折射效应，经过光纤传输后必然会改变光的偏振方向，那么在偏振方向改变后再进入一个偏振相关的调制器进行相位编码，必然会对正常的相位编码造成严重影响，因此开展偏振方向无关的相位调制器技术研究很有必要。
对于相位调制器，目前综合性能最优、应用最广的是基于铌酸锂材料的电光相位调制器，铌酸锂材料可通过退火质子交换工艺或Ti扩散工艺制作出光波导；其中，退火质子交换工艺制作的光波导具有单偏振特性，只能传输TE模式的光，无法满足偏振无关的要求；而Ti扩散工艺制作的光波导具有双折射特性，既能传输TE模也能传输TM模，采用这种波导制作调制器并对同时传导TE模和TM模的光信号进行调制时，两个模式的光信号存在偏振相关损耗，在具体器件中表现为，TM模的损耗比TE模的损耗大，更重要的是，调制电极产生的电场对TE模和TM模的电光调制系数也不相同，在具体器件中表现为：对于X切的铌酸锂光波导而言，其对TE模式光的调制效率约是其对TM模式光的调制效率的3倍，因此调制效率也是偏振相关的。
为了得到偏振无关的调制器，1977年，R·A·Steinberg等人，在方向耦合器中提出采用两组电极，分别提供水平场和竖直场以实现器件与偏振无关，这种方法仅能一在定程度上实现调制效率与方向无关，且存在较大的偏振相关损耗；1984年，Y·Bourb1等人用调节电极与波导的相对位置建立非均匀场的方法，采用一组电极设计制作了与偏振无关的M-Z型调制器，但这种设计难度较大，工艺精度要求较高。
对于偏振无关的电光调制器，国内还有报道利用Z传Ti扩散LiNbO3波导在X和Y轴方向上具有相同电光系数来实现制作的，但同时由于铌酸锂材料在X和Y轴方向上的电光系数较小，导致制作的器件往往需要较高的半波电压，难以满足系统所需。
近年来，本课题组还曾采用钛扩散工艺的X切铌酸锂光波导与钛扩散工艺的Z切铌酸锂光波导进行集成来实现偏振无关，但仍然存在偏振相关损耗等问题。
发明内容
针对背景技术的问题，本发明提出了一种采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器，其创新在于：述铌酸锂电光相位调制器包括铌酸锂芯片和四分之一玻片；所述四分之一玻片的一侧记为受光侧，四分之一玻片的另一侧记为反射侧，所述反射侧上设置有反射膜；所述铌酸锂芯片上集成有条形波导和两根调制电极，两根调制电极平行设置，两根调制电极之间的区域形成调制区，条形波导设置在调制区中；条形波导的一端与外围装置光路连接，条形波导的另一端与四分之一玻片的受光侧光路连接；条形波导向四分之一玻片输出光信号时，光信号先穿过四分之一玻片，然后到达反射膜位置处时，光信号被反射膜反射后又再次穿过四分之一玻片，然后回到条形波导中；光信号每次通过四分之一玻片时，四分之一玻片都能使光信号的偏振方向旋转45度；相比于条形波导向四分之一玻片输出的光信号，从四分之一玻片回到条形波导的光信号的偏振方向旋转了90度。
本发明的原理是：四分之一玻片是一种现有器件，当线偏光垂直入射到四分之一玻片中，线偏光的偏振方向可分解为垂直于光轴的o光和平行于光轴的e光，通过四分之一波片后，o光和e光将产生一个四分之一波长的光程差，这个光程差会导致出射的线偏光相对于入射的线偏光的偏振方向旋转45度角；
本发明的铌酸锂电光相位调制器工作时，外围装置向条形波导输入光信号，光信号在调制电极的作用下被第一次调制，调制后的光信号从条形波导输出至四分之一玻片，光信号第一次穿过四分之一玻片，在四分之一玻片的作用下，光信号的偏振方向发生第一次旋转，然后，光信号被反射镜所反射，被反射的光信号第二次穿过四分之一玻片，在四分之一玻片的作用下，光信号的偏振方向发生第二次旋转(相比于条形波导最初输出的光信号，经两次旋转后的光信号的偏振方向旋转了90度)，然后，光信号又重新回到条形波导中，并被调制电极第二次调制；
将光信号中的两个偏振方向分别记为第一偏振方向和第二偏振方向；当光信号被第一次调制时，调制电极对第一偏振方向的光的调制效率较高，对第二偏振方向的光的调制效率较低，两个偏振方向的光各有损耗；当光信号被第二次调制时，调制电极在两个偏振方向上的调制效率和损耗作用未发生变化，而两个偏振方向的光的位置却发生了互换，于是，作用在两个偏振方向的光上的调制效率和损耗也发生了互换，也即是说，经过两次调制后，两个偏振方向上的光所受到的调制效果和损耗是一样的，最终就实现了与偏振无关的调制，相比于现有技术，本发明结构十分简单巧妙，可以在不降低任何指标的条件下，实现完全的偏振无关调制。
具体应用时，在外围装置中设置光环形器，通过光环形器实现铌酸锂电光相位调制器的输入、输出分路。
本发明方案不仅适用于铌酸锂材料的电光相位调制器，还可适用于其他材料的、存在偏振方向调制差异的相位调制器上。
本发明的有益技术效果是：提出了一种采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器，该装置结构简单巧妙，可以在不降低任何指标的条件下，实现完全的偏振无关调制。
附图说明
图1、现有铌酸锂电光相位调制器调制效果示意图；
图2、本发明的原理示意图；
图3、本发明的硬件示意图；
图中各个标记所对应的名称分别为：铌酸锂芯片1、条形波导1-1、调制电极1-2、四分之一玻片2、反射膜2-1、输入光A、输出光B、第一偏振光C、第二偏振光D。
具体实施方式
一种采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器，其创新在于：述铌酸锂电光相位调制器包括铌酸锂芯片1和四分之一玻片2；所述四分之一玻片2的一侧记为受光侧，四分之一玻片2的另一侧记为反射侧，所述反射侧上设置有反射膜；所述铌酸锂芯片1上集成有条形波导1-1和两根调制电极1-2，两根调制电极1-2平行设置，两根调制电极1-2之间的区域形成调制区，条形波导1-1设置在调制区中；条形波导1-1的一端与外围装置光路连接，条形波导1-1的另一端与四分之一玻片2的受光侧光路连接，且条形波导1-1输出光的光轴与受光侧的表面垂直；条形波导1-1向四分之一玻片2输出光信号时，光信号先穿过四分之一玻片2，然后到达反射膜位置处时，光信号被反射膜反射后又再次穿过四分之一玻片2，然后回到条形波导1-1中；光信号每次通过四分之一玻片2时，四分之一玻片2都能使光信号的偏振方向旋转45度；相比于条形波导1-1向四分之一玻片2输出的光信号，从四分之一玻片2回到条形波导1-1的光信号的偏振方向旋转了90度。
参见图1，图中所示结构为典型的铌酸锂电光相位调制器，输入光从条形波导1-1的一端进入，经调制电极1-2调制后，从条形波导1-1的另一端射出；采用这种铌酸锂电光相位调制器时，铌酸锂电光相位调制器对两个偏振方向上的光的调制效率存在差异，同时，两个偏振方向上的光的偏振相关损耗也存在差异，为便于阐述，在图上，用方框内的十字箭头来分别表示两个偏振方向上的光的损耗程度，若第一偏振光C的损耗大于第二偏振光D，则如图所示，调制后，第一偏振光C所对应的箭头长度小于第二偏振光D所对应的箭头长度；
参见图2，设输入光中，横向的为第一偏振光C，竖向的为第二偏振光D；输入光经调制电极1-2第一次调制后，两个偏振方向上的光的状态与图1相同，即第一偏振光C的损耗大于第二偏振光D，然后光信号第一次通过四分之一玻片2，在四分之一玻片2的作用下，两个偏振方向上的光均旋转了45度，然后，经反射膜2-1反射后，光信号第二次通过四分之一玻片2，两个偏振方向上的光又都旋转了45度，从四分之一玻片2输出至条形波导1-1的光中，两个偏振方向上的光的位置就发生互换了，之后，调制电极1-2又对光进行第二次调制处理，最终，两个偏振方向上的光的损耗一致，且每个偏振方向上的光均在两种调制效率条件下被调制了两次。
参见图3，具体实施时，为使结构更加紧凑，可直接将四分之一玻片2粘贴在铌酸锂芯片1端面上。

Claims (1)

1.一种采用四分之一玻片实现偏振无关的铌酸锂电光相位调制器，其特征在于：述铌酸锂电光相位调制器包括铌酸锂芯片(1)和四分之一玻片(2)；所述四分之一玻片(2)的一侧记为受光侧，四分之一玻片(2)的另一侧记为反射侧，所述反射侧上设置有反射膜；所述铌酸锂芯片(1)上集成有条形波导(1-1)和两根调制电极(1-2)，两根调制电极(1-2)平行设置，两根调制电极(1-2)之间的区域形成调制区，条形波导(1-1)设置在调制区中；条形波导(1-1)的一端与外围装置光路连接，条形波导(1-1)的另一端与四分之一玻片(2)的受光侧光路连接，且条形波导(1-1)输出光的光轴与受光侧的表面垂直；条形波导(1-1)向四分之一玻片(2)输出光信号时，光信号先穿过四分之一玻片(2)，然后到达反射膜位置处时，光信号被反射膜反射后又再次穿过四分之一玻片(2)，然后回到条形波导(1-1)中；光信号每次通过四分之一玻片(2)时，四分之一玻片(2)都能使光信号的偏振方向旋转45度；相比于条形波导(1-1)向四分之一玻片(2)输出的光信号，从四分之一玻片(2)回到条形波导(1-1)的光信号的偏振方向旋转了90度。
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