CN109870768A - 一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片的厚度为d，其中d>d_min，d_min为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δw_min等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值；和/或所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。本发明有效的提高了芯片的偏振消光比，解决了波导芯片的偏振消光比随芯片尺寸增大而降低的难题，扩展了高精度光纤陀螺中对波导芯片的应用需求。

Description

一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片

技术领域

本发明涉及集成光学芯片设计领域，尤其涉及一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片。

背景技术

光纤陀螺作为一种全固态的敏感角速度传感器，具有无运动部件、寿命长、动态范围宽、集成度高、重量轻、功耗小、成本低等特点，广泛应用于导弹制导、航空、航天、船舶、石油钻井平台、汽车导向等军用和民用领域。自1976年美国斯坦福大学Vali和Shortill教授完成了理论验证以来，基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺已在国内外的各大领域实现了工程化和实用化。目前，光纤陀螺因其应用领域的不同，向高精度和小型化两个方向发展，随着对光纤陀螺应用需求的不断增加，对其灵敏度、动态范围、标度因数线性度等指标要求也随之提高。以铌酸锂集成光学调制器为核心的数字闭环干涉型光纤陀螺系统是满足以上需求的一个重要途径。

铌酸锂集成光学调制器是闭环光纤陀螺系统中的核心光学组件之一，其参数指标直接影响光纤陀螺系统的性能。用于光纤陀螺的铌酸锂调制器通常称为Y波导，集成了光的分束与合束、起偏和相位调制三大功能。目前光纤陀螺中使用的Y波导大多采用退火质子交换工艺制作，铌酸锂晶体为双折射晶体，经质子交换后e光的折射率增大，o光的折射率减小，形成天然的单偏振传输特性。对于X切Y传的铌酸锂调制器，耦合入Y波导的光只允许TE模式传输，TM模式自铌酸锂基底泄露掉，如图1(a)-(b)所示，因而实现了光束起偏的功能。光纤陀螺中Y波导芯片的消光比定义为波导输出端的TE模式与TM模式的比值，此数值越大表示Y波导芯片的起偏效果越好，输出波导的光的偏振性越好。质子交换工艺制作的Y波导芯片天然具有很高的偏振特性，通常能够达到60dB左右，能够满足中、低精度光纤陀螺对光束偏振特性的要求。然而对于较高精度光纤陀螺，其对各光学组件提出了更为苛刻的指标要求，其中高精度光纤陀螺中要求Y波导芯片的偏振消光比高于80dB，因此常规的质子交换铌酸锂调制器不能达到这一标准，需要改善质子交换工艺的条件、优化波导芯片的结构设计。

质子交换Y波导芯片的高偏振消光比源自TM模式的泄漏，理论上随着芯片尺寸的加长，TM模式泄漏越彻底，芯片的偏振特性越好。然而在实际的测试中发现，相同工艺条件制作的Y波导芯片，随着芯片尺寸的增长其偏振消光比反而呈下降趋势，如图2所示，与预测结果恰恰相反(此现象在国外专利中也曾提到)。得出产生这种偏振串扰的机制为：自波导芯片输入端泄漏的TM模式，经芯片的下表面反射后一部分光重新耦合入波导的输出端，增大了输出端TM模式的比例，降低芯片的偏振消光比。而随着波导芯片的增长，光在芯片底面发生反射的入射角变大，反射回输出光纤光束的入射角减小，小于光纤的数值孔径角度，TM模式满足可耦合入波导通道的比例增大，因而产生了与预测结果相反的现象。而对于小芯片，反射的TM模式不满足重新耦合的条件，不会耦合入输出光纤。限制小芯片的偏振消光比的主要因素为泄漏的TM模式光会直接衍射至芯片的输出端，并耦合入输出光纤。

为了满足高精度光纤陀螺对多功能集成光学调制器偏振消光比的需求，通常使用尺寸更长的Y波导芯片，并在底部制作TM模滤波器，然而这一技术与光纤陀螺的小型化相矛盾。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从纵向与水平两个截面分析了TM模式的重新耦合方式，由此提出了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，重点抑制在波导芯片上表面方向TM模式的重新耦合，有效的提高了芯片的偏振消光比，为波导在高精度领域中的应用奠定基础。

根据本发明的一方面，提供了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片的厚度为d，其中d>d_min，d_min为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δw_min等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值。

根据本发明的另一方面，提供了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。

根据本发明的又一方面，提供了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片的厚度为d，其中d>d_min，d_min为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δw_min等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值；和

所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。

进一步，所述芯片厚度d具体由如下步骤确定：

输出光纤的数值孔径NA为：

NA＝nsinδ0 (1)

由等式(1)可以得到输出光纤的孔径角δ0为：

δ0＝arcsin(NA/n) (2)

根据反射定律，TM模式在芯片底面中心反射会形成最小入射角δw_min，其与芯片的厚度d关系为：

其中，n为TM模式在芯片衬底中的折射率，L为芯片的长度，d为芯片的厚度，

为了抑制经芯片底面反射的TM模式再耦合入输出光纤，需使得TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的TM模式的最小入射角δw_min大于输出光纤的孔径角δ0，即，

在芯片的长度L一定的条件下，满足δw_min>δ0的芯片厚度d>d_min，其中：

优选地，所述凹槽可以包括第一凹槽，所述第一凹槽根据光传输的光阑理论，设置在多分支光波导的分叉处以及与芯片端面平行的方向，使得输出光纤的集光区域位于由第一凹槽形成的光阑孔径处穿过的TM辐射模式的阴影区，第一凹槽包括由多分支光波导隔开的m段凹槽，其中，m＝M+1，M为多分支光波导的分支数。

进一步，所述第一凹槽的边缘与所述芯片的质子交换区的相对位置为：第一凹槽的边缘距质子交换区的距离至少5μm，

所述第一凹槽的位置由如下步骤确定：

建立芯片坐标系，根据光束在凹槽边缘的衍射理论，在满足所述第一凹槽的边缘与交换区相对位置的前提下，第一凹槽的几何遮光区域在芯片输出端的投影长度wy为：

其中，w1为第一凹槽的分支波导中间凹槽的长度，δc为芯片的端面切割角度，l1为第一凹槽距芯片输入端的距离，L为芯片的长度，投影长度wy应大于波导输出分支的间距w0，则第一凹槽距芯片输入端的临界位置l1₀为：

所述第一凹槽中的分支波导外侧的两个凹槽用于阻隔辐射至质子交换区外侧的部分TM模式，防止经芯片端面反射后耦合入输出端。

进一步，所述凹槽可以包括第二凹槽，所述第二凹槽根据光纤的数值孔径角机理，设置在多分支光波导的分叉支路的中间，以阻止TM辐射模式从位于分支波导中间的第一凹槽边缘发生衍射并传输至芯片的输出端。

进一步，所述第二凹槽的位置具体由如下步骤确定：

建立波导芯片的坐标系，根据从第一凹槽与分支波导中间部分向芯片输出端衍射的第一凹槽衍射光束，建立光线的数学函数方程：

确定光束的交叉点a位置，其中，点(m1,n1)和点(m2,-n1)为两个输出端的坐标，w1为第一凹槽的分支波导中间凹槽的长度，x和y为建立的波导芯片坐标系中的点；根据输出光纤的孔径角范围，建立光纤收光边界的数学函数方程：

确定收光边缘的交叉点b位置；第二凹槽位于两个交叉点a与b之间，其中，l<(b-a)，

第二凹槽尽可能多的覆盖输出光纤的可耦合光范围，以阻挡TM辐射模式耦合入输出光纤，

第二凹槽满足l2>le，l2为第二凹槽边缘距芯片输出端的距离，le为沉积在分支波导之间的推挽电极与芯片输出端的距离，

第二凹槽的边缘与推挽电极的边缘距离5μm以上。

优选地，所述第一凹槽为U型凹槽，所述第二凹槽为矩形凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽的表面涂覆有光吸收材料。

根据本发明的另一方面，提供了一种根据上述的小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片的用途，所述多分支光波导芯片用于光纤陀螺。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过确定芯片的最小厚度来抑制芯片底部反射的TM反射模式再耦合入输出光纤，和/或通过在芯片表面上刻蚀凹槽来使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤，有效的提高了芯片的偏振消光比，解决了小尺寸波导芯片的偏振消光比降低的难题，扩展了高精度光纤陀螺中对波导芯片的应用需求。

(2)本发明采用的结构优化方案具有普适性，可适用于需要提高偏振消光比的不同分支结构芯片，包括Y型分支波导芯片以及更多分支波导芯片等。

(3)本发明实现此结构设计所采用的芯片制作工艺为常规工艺技术，无附加的操作难度，且容易达到较高的加工工艺精度。

附图说明

图1(a)和(b)为质子交换波导芯片的起偏原理图，其中，(a)为芯片的上表面示意图，(b)为芯片的纵向截面示意图。

图2为芯片长度与芯片偏振消光比之间的关系曲线图。

图3为本发明的小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片的三维结构图。

图4(a)和(b)为本发明的小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片的衬底纵向截面方向上的优化方案示意图，其中，图(a)为结构优化前泄漏的TM模式在衬底纵截面方向上传输再耦合入输出光纤，并降低芯片偏振消光比的光路示意图；图(b)为结构优化后泄漏的TM模式在衬底纵向截面方向的光路示意图。

图5(a)-(c)为本发明的小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片的上表面方向上的优化方案示意图，其中，图(a)为结构优化前泄漏的TM模式在芯片表面方向上传输再耦合入输出端，并降低芯片偏振消光比的光路示意图；(b)为结构优化后泄漏的TM模式在芯片表面方向上传输的光路示意图；(c)表示为确定U型凹槽在芯片上表面建立的坐标系示意图，芯片左边缘中心为原点，芯片长度方向为坐标x轴。

图中：

1-输入光纤 2-输出光纤

3-传导的TE模式 4-泄漏的TM模式

5-铌酸锂衬底基片 6-质子交换区

7-输入光 8-输出光

9-第一凹槽 10-第二凹槽

11-反射底面

12-输出光纤的孔径角范围

13-第一重叠模场 14-第二重叠模场

15-第一凹槽的几何遮光区域

16-输出光纤的集光区域

17-上支路输出光纤的孔径角边缘 18-下支路输出光纤的孔径角边缘

19-第一凹槽衍射光线

具体实施方式

下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。

在以下的说明中，以用于光纤陀螺的小型化高偏振消光比Y波导的芯片为实例。

在本实施例中，波导芯片的基本结构与常规的芯片类似，采用质子交换工艺制作，具有Y型光传输分支，调制电极对称的位于质子交换光传输通道的两侧。不同在于采用增厚的铌酸锂衬底芯片，同时在靠近Y波导分叉处的位置、与芯片端面平行的方向刻U型凹槽，并涂覆光吸收材料，具体设计方法如下：

(1)确定芯片的铌酸锂衬底基片厚度；

Y波导芯片的偏振消光比随芯片尺寸的增长而降低，主要来自于泄漏的TM模式自基底下表面反射后再次耦合入波导的输出端，增加了输出光中TM模式的分量。因此提高Y波导芯片的偏振消光比，需要降低输出端TM模式的再耦合效率。

以长25mm的1550nmY波导为例，如图4(a)所示，常规Y波导芯片通常使用厚度d₁为1mm的铌酸锂晶片作为Y波导的铌酸锂衬底基片5，输入光纤1和输出光纤2均采用熊猫保偏光纤，由输入光纤1射入铌酸锂衬底基片5的光为无偏振态光束，进入基片5的质子交换区6后传导的TE模式3以全反射法则传输，并耦合入输出光纤2，而TM模式自输入端衍射入基片5并泄漏掉。然而，少量泄漏的TM模式4经过基片5的反射底面11发生镜面反射后耦合入输出光纤2。能够重新耦合入输出光纤2的条件为：射向输出光纤2的TM模式4的入射角δw小于输出光纤2的孔径角δ0。

通常使用的1550nm保偏光纤的输入光纤1和2的数值孔径约为0.2，由数值孔径NA的定义：

NA＝nsinδ0 (1)

能够计算得出保偏光纤的孔径角为：

δ0＝arcsin(NA/n) (2)

其中，TM模式在铌酸锂衬底中的折射率为n＝2.21，代入以上条件，则光纤的孔径角为：

δ0＝arcsin(0.2/2.21)≈5.192°

泄漏的TM模式4在基片5的反射底面7发生一次反射到达输出光纤2形成的入射角δw最小，根据反射定律可知，泄漏的TM模式4在基片5的底面中心反射形成最小入射角δw_min。当前芯片尺寸条件下最小入射角δw_min为：

可见，在图4(a)所示的示例中，最小入射角δw_min小于光纤的孔径角δ0。

为了抑制经芯片底面反射的TM模式再耦合入输出光纤，需使得经芯片底面中心反射到达输出光纤的TM模式的最小入射角δw_min大于输出光纤的孔径角δ0。

在图4(b)所示的示例中，在Y波导芯片长度一定(L＝25mm)的条件下，满足δw_min>δ0的芯片厚度d₂应大于d_min(芯片厚度在TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δw_min等于输出光纤的孔径角δ0时的取值)才能抑制经芯片底面反射的TM模式再耦合入输出光纤，其中：

因此，当Y波导芯片的厚度d₂满足d₂>1.136mm时，可抑制部分泄漏的TM模式光4重新耦合入输出光纤2。同时，为了尽可能减少泄漏的TM模式光4的耦合比例，同时考虑基片5的制作工艺，优选地选取铌酸锂基片5的厚度d₂＝1.5mm为优化参数，此时反射光射入输出光纤2的入射角约为6.843°，远大于入射临界角5.192°，能够有效的抑制泄漏的TM模式光4的耦合比例，原理示意图如图4(b)所示。

(2)在芯片表面上设置凹槽并确定凹槽的位置与深度；

由于泄漏的TM模式光4在经质子交换后的铌酸锂衬底基片5中为非导模，在基片5中会向各个方向辐射泄漏，因此除了在基片5的纵向上会发生重新耦合外，在基片5的上表面方向也存在重新耦合现象，尤其对于中小尺寸的Y波导芯片，由于芯片的长度不足以将泄漏的TM模式完全损耗掉，因此需要抑制在表面方向的重新耦合，耦合光路的原理图如图5(a)-(c)所示。

图5(a)表示常规Y波导芯片设计图样时TM模式的辐射示意图，图中δd为自输入光纤1入射的非偏振光在基片5中的发散角，其中，TE模式光沿质子交换区6传输，TM模式光则在输入光纤1入射的非偏振光的发散角范围内辐射，这部分辐射光在Y波导芯片的输出端将与输出光纤2存在模场重叠，产生TM辐射模式的重新耦合。同样以数值孔径为0.2的1550nm光纤为例，波导的光斑尺寸2ω0＝6.5μm，光在基片5中的折射率n为2.21，则光在基片5中的全发散角约为：

δd≈1.5NA/n＝0.136rad＝7.792°

经过25mm长芯片后光束发散的模斑直径为：

2ω0′＝δd·L＝3.4mm

因此，TM模式在输出光纤2处产生的偏振串扰为：

图5(b)为本发明优化改进后的Y波导芯片设计结构图，在Y波导的分叉处使用离子束刻蚀的方法刻呈U型的第一凹槽9，用于阻隔大部分TM辐射模式，1550nmY波导的光斑尺寸约为6.5μm，质子交换区6的深度小于10μm。因此为了更好地阻隔TM辐射模式，选择三段U型槽在质子交换区6处的间隔为10μm，槽深10μm。为了使得输出光纤2的集光区域位于由第一凹槽9形成的光阑孔径处穿过的TM模式的阴影区，由光线理论能够计算出第一凹槽9应位于距芯片输入端l1＝8mm处，图中阴影区15为第一凹槽9形成的遮光区域。

然而，光束在第一凹槽与分支波导中间部分(狭缝边缘)会发生衍射现象，为了抑制这部分衍射光的影响，进一步降低TM辐射模式重新耦合的概率，设计在Y波导两分叉支路的中间刻蚀矩形的第二凹槽10。建立波导芯片的坐标系(如图5(c)所示)，根据从第一凹槽弯曲分支中间部分向芯片输出端衍射的两个第一凹槽衍射光束19，建立光线的数学函数方程，确定两束光19的交叉点a位置；根据输出光纤的孔径角范围12，建立光纤收光边界的数学函数方程，确定收光边缘的交叉点b位置；第二凹槽10需位于两个交叉点a与b之间(l<(b-a))，如图5(c)所示。为了尽可能多的阻挡TM辐射模式耦合入输出光纤，第二凹槽10需尽可能多的覆盖输出光纤的可耦合光范围。同时，由于两分支之间沉积有电极区域，凹槽应不能破坏调制电极,需满足l2(凹槽边缘与波导芯片输出端面的距离)>le(推挽电极与波导芯片输出端面的距离)。凹槽边缘与电极边缘距离可为5μm以上，位于两直波导中间时可有最大的凹槽宽度w2。由此辐射的TM模式与输出光纤2的模场重叠区域被抑制到了最小，能够有效的提高Y波导芯片的偏振消光比。

本发明分析了Y波导器件中非传导TM模在波导芯片中的可能传输路径，从纵向与水平两个截面分析了TM模式的重新耦合方式，重点抑制在Y波导芯片上表面方向TM模式的重新耦合，有效的提高了芯片的偏振消光比，为Y波导在高精度光纤陀螺中的应用奠定基础。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以对本发明的实施例做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，其特征在于，所述芯片的厚度为d，其中d>d_min，d_min为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δw_min等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值。

2.一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，其特征在于，所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。

3.一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，其特征在于，所述芯片的厚度为d，其中d>d_min，d_min为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δw_min等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值；和

所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。

4.根据权利要求1或3所述的芯片，其特征在于，所述芯片厚度d具体由如下步骤确定：

输出光纤的数值孔径NA为：

NA＝n sinδ0 (1)

由等式(1)可以得到输出光纤的孔径角δ0为：

δ0＝arcsin(NA/n) (2)

根据反射定律，TM模式在芯片底面中心反射会形成最小入射角δw_min，其与芯片的厚度d关系为：

其中，n为TM模式在芯片衬底中的折射率，L为芯片的长度，

为了抑制经芯片底面反射的TM模式再耦合入输出光纤，需使得TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的TM模式的最小入射角δw_min大于输出光纤的孔径角δ0，即，

在芯片的长度L一定的条件下，满足δw_min>δ0的芯片厚度d>d_min，其中：

5.根据权利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述凹槽包括第一凹槽，所述第一凹槽根据光传输的光阑理论，设置在多分支光波导的分叉处以及与芯片端面平行的方向，使得输出光纤的集光区域位于由第一凹槽形成的光阑孔径处穿过的TM辐射模式的阴影区，第一凹槽包括由多分支光波导隔开的m段凹槽，其中，m＝M+1，M为多分支光波导的分支数。

6.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述凹槽包括第二凹槽，所述第二凹槽根据光纤的数值孔径角机理，设置在多分支光波导的分叉支路的中间，以阻止TM辐射模式从位于分支波导中间的第一凹槽边缘发生衍射并传输至芯片的输出端。

7.根据权利要求5或6所述的芯片，其特征在于，所述第一凹槽的边缘与所述芯片的质子交换区的相对位置为：第一凹槽的边缘距质子交换区的距离至少5μm，

所述第一凹槽的位置具体由如下步骤确定：

建立芯片坐标系，根据光束在凹槽边缘的衍射理论，在满足所述第一凹槽的边缘与交换区相对位置的前提下，第一凹槽的几何遮光区域在芯片输出端的投影长度wy为：

其中，w1为第一凹槽的分支波导中间凹槽的长度，δc为芯片的端面切割角度，l1为第一凹槽距芯片输入端的距离，L为芯片的长度，投影长度wy应大于波导输出分支的间距w0，则第一凹槽距芯片输入端的临界位置l1₀为：

所述第一凹槽中的分支波导外侧的两个凹槽用于阻隔辐射至质子交换区外侧的部分TM模式，防止经芯片端面反射后耦合入输出端。

8.根据权利要求6或7所述的芯片，其特征在于，所述第二凹槽的位置具体由如下步骤确定：

建立波导芯片的坐标系，根据从第一凹槽与分支波导中间部分向芯片输出端衍射的第一凹槽衍射光束，建立光线的数学函数方程：

确定光束的交叉点a位置，其中，点(m1,n1)和点(m2,-n1)为两个输出端的坐标，w1为第一凹槽的分支波导中间凹槽的长度，x和y为建立的波导芯片坐标系中的点；根据输出光纤的孔径角范围，建立光纤收光边界的数学函数方程：

确定收光边缘的交叉点b位置；第二凹槽位于两个交叉点a与b之间，其中，l<(b-a)，

第二凹槽尽可能多的覆盖输出光纤的可耦合光范围，以阻挡TM辐射模式耦合入输出光纤，

第二凹槽满足l2>le，l2为第二凹槽边缘距芯片输出端的距离，le为沉积在分支波导之间的推挽电极与芯片输出端的距离，

第二凹槽的边缘与推挽电极的边缘距离5μm以上。

9.根据权利要求5-8之一所述的芯片，其特征在于，所述第一凹槽为U型凹槽，所述第二凹槽为矩形凹槽，所述第一凹槽和所述第二凹槽的表面涂覆有光吸收材料。

10.一种根据权利要求1-9之一所述的小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片的用途，其特征在于，所述多分支光波导芯片用于光纤陀螺。