CN110346950B - 一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器。本发明包括水平狭缝波导、45度偏振旋转波导、调制电极、交叉狭缝波导；宽谱TM偏振光从水平狭缝波导一端输入，经45度偏振旋转波导转换为宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光后进入交叉狭缝波导的输入端，宽谱TE偏振光在交叉狭缝波导的竖直狭缝中传输，宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导的水平狭缝中传输，宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导输出端形成去偏光。本发明的调制电极通过电控实现精密调节45度偏振旋转波导的旋转角度，使交叉狭缝波导输出端的TE偏振光和TM偏振光能量相等；克服了由偏振旋转波导损耗、TE和TM波导传输损耗造成的分光不均。
Description
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器。
背景技术
消偏器是将偏振光变成非偏振光的一种无源偏振器件，它在光纤陀螺、光纤传感器、高精度分光光度计、光电检测技术及Raman放大器等方面得到应用。消偏器按实现方法可分为电光型、声控型、Lyot型等，其中Lyot型消偏器适用于宽谱光源，简单实用，是目前应用较为广泛的一种消偏器。Lyot型光纤消偏器它由长度比为1：2对应双折射主轴夹角为45的两段高双折射保偏光纤构成，其工作原理是利用沿保偏光纤两主轴传输的光的时延特性将偏振光的两种偏振本征态从时间上拉开使出射光的相干度为零。此外通过两段高双折射保偏光纤主轴之间的45夹角，使光能在两个正交的偏振方向上等量分布，最终实现对输入光的消偏。由于光纤的双折射仅为5×10-4左右，在某些应用中需要数米或数十米长的光纤以满足系统对去偏的需要，另外，精准的45度熔接难以保证，熔接点相对比较脆弱且易受应力的影响使得光纤型Lyot去偏器受到限制。
狭缝波导在2004年由Cornell大学Lipson小组提出，他们发现，当宽度很小的硅波导靠近至纳米距离时，光场将强烈地限制在它们中间的低折射率狭缝中。狭缝波导依偏振方向的不同分为竖直狭缝和水平狭缝波导，两种结构共同的特点是仅在各自对应的偏振方向上具有优秀的局域特性，也就是说每种狭缝波导仅对TE或者TM一种偏振模式局域。交叉狭缝波导在水平和垂直方向上存在两个正交狭缝，能同时传输具有高强度和高局域的TE/TM偏振的狭缝模式，两个正交的偏振模不存在直接的能量交换而相互独立。交叉狭缝波导的这一特性为小型化波导去偏器的研制提供了有利条件。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供一种集成度高、尺寸小、制备工艺简单、易于封装的基于交叉狭缝波导的电控去偏器。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括水平狭缝波导、45度偏振旋转波导、交叉狭缝波导和调制电极，水平狭缝波导的输出端经45度偏振旋转波导连接至交叉狭缝波导输入端，调制电极位于45度偏振旋转波导的两侧。
水平狭缝波导、45度偏振旋转波导和交叉狭缝波导沿光路方向集成于硅衬底和第一二氧化硅缓冲层形成的基底层上表面，第一二氧化硅缓冲层位于硅衬底上表面；水平狭缝波导、45度偏振旋转波导和交叉狭缝波导由下至上主要由第一铌酸锂单晶薄膜层、第二二氧化硅缓冲层和第二铌酸锂单晶薄膜层组成。
45度偏振旋转波导和交叉狭缝波导均设有上下贯穿第一铌酸锂单晶薄膜层、第二二氧化硅缓冲层和第二铌酸锂单晶薄膜层三层结构的竖直狭缝，竖直狭缝由空气填充；45度偏振旋转波导的竖直狭缝由45度偏振旋转波导输入端的侧边缘延伸至输出端的中间位置，与光传输方向成一个小角度；交叉狭缝波导的竖直狭缝在波导平面上由交叉狭缝波导的输入端中间位置延伸至输出端的中间位置。
宽谱TM偏振光经水平狭缝波导输入45度偏振旋转波导，45度偏振旋转波导将一半能量的宽谱TM偏振光转换为宽谱TE偏振光，从45度偏振旋转波导输出的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光进入交叉狭缝波导的输入端，宽谱TE偏振光在交叉狭缝波导的竖直狭缝中传输，宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导的水平狭缝中传输，宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导输出端形成去偏光。
第二二氧化硅缓冲层为交叉狭缝波导的水平狭缝和水平狭缝波导的水平狭缝；由于第二二氧化硅缓冲层折射率小于第一铌酸锂单晶薄膜层和第二铌酸锂单晶薄膜层的折射率，将第二二氧化硅缓冲层作为交叉狭缝波导和水平狭缝波导用于光传输的芯层。
所述宽谱TE偏振光在交叉狭缝波导的竖直狭缝中传输的传输介质为空气；宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导的水平狭缝中传输的传输介质为二氧化硅。
所述的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导中的光程差大于输入水平狭缝波导的宽谱TM偏振光的相干长度。
所述调制电极通过电控精密调节45度偏振旋转波导的旋转角度，从而使从交叉狭缝波导输出端输出的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光能量相等。
水平狭缝波导仅支持TM模式的光传输；交叉狭缝波导可以支持TE模式和TM模式的光传输。
本发明的有益效果：
1)本发明基于交叉狭缝波导结构，TE偏振光在交叉狭缝波导的竖直狭缝中传输，传输介质为空气，TM偏振光在交叉狭缝波导的水平狭缝中传输，传输介质为二氧化硅，由于二氧化硅和空气的折射率差高达0.5以上，而普通保偏光纤的双折射仅为5×10-4左右，1毫米长度的光程差即相当Lyot去偏器中约1米普通保偏光纤带来的去偏效果。
2)本发明提出的基于交叉狭缝波导结构的45度偏振旋转波导两边制备有调制电极，用以调节45度偏振旋转波导的旋转角度，克服偏振旋转波导损耗、TE和TM波导传输损耗造成的分光不均，可以大大降低对光波导制备损耗的要求，使交叉狭缝波导输出端的TE偏振光和TM偏振光能量相等。
3)本发明器件的集成度高、尺寸小、制备工艺简单、易于封装适于批量生产；集成光学工艺，可以与其它光学芯片进行集成。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是水平狭缝波导的截面示意图；
图3是45度偏振旋转波导的结构示意图；
图4是交叉狭缝波导的截面示意图。
图中：1、水平狭缝波导，2、45度偏振旋转波导，3、交叉狭缝波导，4、调制电极，5、硅衬底，6、第一二氧化硅缓冲层，7、第一铌酸锂单晶薄膜层，8、第二二氧化硅缓冲层，9、第二铌酸锂单晶薄膜层，10、空气。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括水平狭缝波导1、45度偏振旋转波导2、交叉狭缝波导3和调制电极4，水平狭缝波导1的输出端经45度偏振旋转波导2连接至交叉狭缝波导3输入端，调制电极4位于45度偏振旋转波导2的两侧。
如图2、图3和图4所示，水平狭缝波导1、45度偏振旋转波导2和交叉狭缝波导3沿光路方向集成于硅衬底和第一二氧化硅缓冲层形成的基底层上表面，第一二氧化硅缓冲层位于硅衬底上表面；水平狭缝波导1、45度偏振旋转波导2和交叉狭缝波导3由下至上主要由第一铌酸锂单晶薄膜层7、第二二氧化硅缓冲层8和第二铌酸锂单晶薄膜层9组成。
如图3和图4所示，45度偏振旋转波导2和交叉狭缝波导3均设有上下贯穿第一铌酸锂单晶薄膜层7、第二二氧化硅缓冲层8和第二铌酸锂单晶薄膜层9三层结构的竖直狭缝，竖直狭缝由空气10填充；45度偏振旋转波导2的竖直狭缝由45度偏振旋转波导2输入端的侧边缘延伸至输出端的中间位置，与光传输方向成一个小角度；交叉狭缝波导3的竖直狭缝由交叉狭缝波导3的输入端中间位置延伸至输出端的中间位置。
TE模式和TM模式在交叉狭缝波导3中的光程差大于输入水平狭缝波导1的宽谱光TM的相干长度。
所述调制电极4通过电控精密调节45度偏振旋转波导2的旋转角度，从而使从交叉狭缝波导3输出端输出的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光能量相等。
实施例：
宽谱TM偏振光经水平狭缝波导1输入45度偏振旋转波导2，45度偏振旋转波导2将一半能量的宽谱TM偏振光转换为宽谱TE偏振光，从45度偏振旋转波导2输出的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光进入交叉狭缝波导3的输入端，宽谱TE偏振光在交叉狭缝波导3的竖直狭缝中传输，宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导3的水平狭缝中传输，宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导3输出端形成去偏光。
本实例输入的宽谱TM偏振光光源采用SLD光源，输出功率为800微瓦，中心波长为1310纳米，3dB半高谱宽40nm。光源的相干长度为42.9微米。硅衬底5厚度为0.5毫米、第一二氧化硅缓冲层6厚度为2微米、第一铌酸锂单晶薄膜7厚度为2微米、第二二氧化硅缓冲层8厚度为0.2微米，第二铌酸锂单晶薄膜9厚度为2微米。竖直方向的狭缝宽度为0.2微米，调制电极4长度为400微米，调制电极4与45度偏振旋转波导2的间距为2微米。水平狭缝波导1的长度为100微米，45度偏振旋转波导2的长度为500微米，交叉狭缝波导3的长度为400微米。在交叉狭缝波导3输出端输出的TE、TM偏振光的光程差约为200微米，大于SLD光源相干长度的3倍，达到去偏的目的。
Claims (6)
1.一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器，其特征在于：包括水平狭缝波导(1)、45度偏振旋转波导(2)、交叉狭缝波导(3)和调制电极(4)，水平狭缝波导(1)的输出端经45度偏振旋转波导(2)连接至交叉狭缝波导(3)输入端，调制电极(4)位于45度偏振旋转波导(2)的两侧；
水平狭缝波导(1)、45度偏振旋转波导(2)和交叉狭缝波导(3)沿光路方向集成于硅衬底和第一二氧化硅缓冲层(6)形成的基底层上表面，第一二氧化硅缓冲层(6)位于硅衬底(5)上表面；水平狭缝波导(1)、45度偏振旋转波导(2)和交叉狭缝波导(3)由下至上主要由第一铌酸锂单晶薄膜层(7)、第二二氧化硅缓冲层(8)和第二铌酸锂单晶薄膜层(9)组成；
45度偏振旋转波导(2)和交叉狭缝波导(3)中间均设有上下贯穿第一铌酸锂单晶薄膜层(7)、第二二氧化硅缓冲层(8)和第二铌酸锂单晶薄膜层(9)三层结构的竖直狭缝，竖直狭缝由空气填充；45度偏振旋转波导(2)的竖直狭缝由45度偏振旋转波导(2)输入端的侧边缘延伸至输出端的中间位置；交叉狭缝波导(3)的竖直狭缝由交叉狭缝波导(3)的输入端中间位置延伸至输出端的中间位置。
2.根据权利要求1所述的基于交叉狭缝波导的电控去偏器，其特征在于：宽谱TM偏振光经水平狭缝波导(1)输入45度偏振旋转波导(2)，45度偏振旋转波导(2)将部分能量的宽谱TM偏振光转换为宽谱TE偏振光，从45度偏振旋转波导(2)输出的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光进入交叉狭缝波导(3)的输入端，宽谱TE偏振光在交叉狭缝波导(3)的竖直狭缝中传输，宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导(3)的水平狭缝中传输，宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导(3)输出端形成去偏光。
3.根据权利要求2所述的基于交叉狭缝波导的电控去偏器，其特征在于：第二二氧化硅缓冲层(8)为交叉狭缝波导(3)的水平狭缝和水平狭缝波导(1)的水平狭缝。
4.根据权利要求2所述的基于交叉狭缝波导的电控去偏器，其特征在于：所述宽谱TE偏振光在交叉狭缝波导(3)的竖直狭缝中传输的传输介质为空气；宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导(3)的水平狭缝中传输的传输介质为二氧化硅。
5.根据权利要求2所述的一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器，其特征在于：所述的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光在交叉狭缝波导(3)中的光程差大于输入水平狭缝波导(1)的宽谱TM偏振光的相干长度。
6.根据权利要求2所述的一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器，其特征在于：所述调制电极(4)通过电控调节45度偏振旋转波导(2)的旋转角度，从而使从交叉狭缝波导(3)输出端输出的宽谱TE偏振光和宽谱TM偏振光能量相等。
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