CN112630885B - 一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，包括第一级偏振旋转器和第二级偏振旋转器，第一级偏振旋转器包括第一弯曲波导，第二级偏振旋转器包括第二弯曲波导。所述的第一弯曲波导和第二弯曲波导均由两根宽度渐变的欧拉弯曲波导和一根圆弧波导构成，第一宽度渐变的欧拉弯曲波导，圆弧波导，第二宽度渐变的欧拉弯曲波导依次首尾相连。第一偏振旋转器中的第二宽度渐变的欧拉弯曲波导与第二偏振旋转器中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导相连。欧拉弯曲波导宽度渐变随着弯曲角度线性渐变。本发明利用宽度渐变的欧拉弯曲波导可以实现信号光的光场模式从直波导模式到弯曲波导模式的无损转换，从而使得整个偏振旋转器的损耗降低。

Description

一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器
技术领域
本发明属于光通信领域，具体涉及一种基于级联欧拉弯曲和圆弧弯曲的铌酸锂偏振旋转器。
背景技术
随着具有高性能电光响应的集成铌酸锂平台迅速发展，人们对于集成偏振控制类器件的需求日益提高。偏振分束器(Polarization Beam Splitter,PBS)、起偏器(Polarizer)和偏振旋转器(Polarization Rotator,PR)的出现使得片上偏振调节变得简单。偏振分束器和起偏器都可以实现波导单偏振工作，但无法对波导偏振进行旋转。偏振旋转器的出现很好地解决了偏振旋转问题。
传统的铌酸锂器件需要通过钛扩散(Titanium-Diffusion,TiD)或质子交换(Proton-Exchange,PE)进行制备，造成器件尺寸巨大，成本高昂。高效的氩离子刻蚀铌酸锂波导技术的出现实现了低损、紧凑的铌酸锂波导制备。然而铌酸锂因其各项异性的材料特性以及刻蚀波导侧壁倾斜角度大等问题使得集成型偏振控制器件的制备存在挑战。基于表面等离子体的铌酸锂波导PR可以高效地实现偏振旋转，然而金属材料固有的欧姆损耗使得该类器件插入损耗(Insertion Loss,IL)较大。基于方向耦合器(Directional Coupler,DC)的铌酸锂波导PR有效地降低了器件的IL，然而该类器件的尺寸较大。这使得传统的铌酸锂偏振旋转器无法达到理想的器件性能，难以满足实际应用需求。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器。
本发明的目的在于提出一种基于级联欧拉弯曲和圆弧弯曲的铌酸锂偏振旋转器，利用宽度渐变的欧拉弯曲波导和圆弧波导实现铌酸锂波导在宽光谱范围内低损耗的偏振旋转。
一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，包括第一级偏振旋转器和第二级偏振旋转器，所述的第一级偏振旋转器包括第一弯曲波导(I)，第二级偏振旋转器包括第二弯曲波导(II)。所述的第一弯曲波导和第二弯曲波导均由两根宽度渐变的欧拉弯曲波导(第一宽度渐变的欧拉弯曲波导，第二宽度渐变的欧拉弯曲波导)和一根圆弧波导构成，第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(i21)，圆弧波导(i11)，第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(i22)依次首尾相连。第一级偏振旋转器中的第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(122)与第二级偏振旋转器中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(221)相连。欧拉弯曲波导宽度渐变随着弯曲角度线性渐变。
优选地，偏振旋转器的输入端设置有输入波导(1)，输出端设置有输出波导(2)。
输入波导(1)与第一弯曲波导(I)中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(121)相连。第二弯曲波导(II)中第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(222)与输出波导(2)相连。
光信号电场垂直波导上表面方向的偏振光TM或电场平行于波导上表面方向的偏振光TE由输入波导(1)输入，在经过第一弯曲波导(I)中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(121)后，光场模式实现从条形波导模式到弯曲波导模式的无损转换，同时，TM光或TE光在垂直光传播方向的平面内发生旋转。随后经过第一弯曲波导(I)中的圆弧波导(111)和第二宽度渐变的欧拉波导(122)后，光信号的偏振方向在垂直光传播方向的平面内继续发生旋转。发生偏振旋转后的光信号继续经过第二弯曲波导(II)中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(221)，光场模式实现在不同曲率的弯曲波导间转换，同时，光信号的偏振方向发生旋转。随后，在经过第二弯曲波导(II)中的圆弧波导(211)和第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(222)后，光信号的偏振方向继续旋转成为TE光或TM光，光场模式实现从弯曲波导模式到条形波导模式的无损转换，并从输出波导(2)输出。
优选地，输入波导(1)和输出波导(2)为深刻蚀铌酸锂条形波导。
优选地，输入波导(1)、输出波导(2)、第一弯曲波导(I)和第二弯曲波导(II)衬底的厚度为500μm，掩埋层的厚度为3μm，铌酸锂芯层厚度为600nm，深刻蚀的刻蚀深度为600nm，波导侧壁倾角(7)为65度。
优选地，偏振旋转器结构关于结构中心中心对称。
本发明具有的有益的效果是：
(1)利用宽度渐变的欧拉弯曲波导可以实现信号光的光场模式从直波导模式到弯曲波导模式的无损转换，从而使得整个偏振旋转器的损耗降低。
(2)利用小弯曲半径的弯曲波导模式的偏振旋转效应从而缩小器件尺寸。
(3)利用级联的曲率相反的弯曲波导实现了高的偏振消光比51dB以及大的20dB工作带宽74nm。
(4)所有铌酸锂波导均采用同一深度的深刻波导结构，简化了工艺步骤，从而降低器件加工成本。
附图说明
图1为本发明铌酸锂偏振旋转器结构示意图；
图2第一弯曲波导(I)结构示意图；
图3第二弯曲波导(II)结构示意图；
图4偏振旋转器中铌酸锂波导的剖面图；
图5输出波导的TE光和TM光的透过率仿真曲线。
图中：I-第一弯曲波导，II-第二弯曲波导，1-输入波导，2-输出波导，121-第一弯曲波导第一宽度渐变的欧拉弯曲波导，122-第一弯曲波导第二宽度渐变的欧拉弯曲波导，111-第一弯曲波导的圆弧波导，221-第二弯曲波导的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导，222-第二弯曲波导的第二宽度渐变的欧拉弯曲波导，211-第二弯曲波导圆弧波导，3-空气上包层，4-铌酸锂波导芯层，5-二氧化硅掩埋层，6-硅衬底层，7-铌酸锂波导侧壁倾角。
具体实施方式
下面结合附图和一种基于级联欧拉弯曲和圆弧弯曲的铌酸锂偏振旋转器的实施实例对本发明作进一步说明。
为了更好地说明本实施例，附图部件会有放大或缩小和省略，并不代表实际产品尺寸。提到的所有波导宽度均指的是波导上表面的宽度。
如图1所示，一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，包括第一级偏振旋转器和第二级偏振旋转器，所述的第一级偏振旋转器包括第一弯曲波导I，第二级偏振旋转器包括第二弯曲波导II。所述的第一弯曲波导和第二弯曲波导均由两根宽度渐变的欧拉弯曲波导和一根圆弧波导构成，第一宽度渐变的欧拉弯曲波导i21，圆弧波导i11，第二宽度渐变的欧拉弯曲波导i22依次首尾相连。第一级偏振旋转器中的第二宽度渐变的欧拉弯曲波导122与第二级偏振旋转器中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导221相连。欧拉弯曲波导宽度渐变随着弯曲角度线性渐变。
图2第一弯曲波导I结构示意图；
图3第二弯曲波导II结构示意图；
优选地，偏振旋转器的输入端设置有输入波导1，输出端设置有输出波导2。
输入波导1与第一弯曲波导I中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导121相连。第二弯曲波导II中第二宽度渐变的欧拉弯曲波导222与输出波导2相连。
光信号电场垂直波导上表面方向的偏振光TM或电场平行于波导上表面方向的偏振光TE由输入波导1输入，在经过第一弯曲波导中I的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导121后，光场模式实现从条形波导模式到弯曲波导模式的无损转换，同时，TM光或TE光在垂直光传播方向的平面内发生旋转。随后经过第一弯曲波导I中的圆弧波导111和第二宽度渐变的欧拉波导122后，光信号的偏振方向在垂直光传播方向的平面内继续发生旋转。发生偏振旋转后的光信号继续经过第二弯曲波导II中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导221，光场模式实现在不同曲率的弯曲波导间转换，同时，光信号的偏振方向发生旋转。随后，在经过第二弯曲波导II中的圆弧波导211和第二宽度渐变的欧拉弯曲波导222后，光信号的偏振方向继续旋转成为TE光或TM光，光场模式实现从弯曲波导模式到条形波导模式的无损转换，并从输出波导2输出。
优选地，输入波导1和输出波导2为深刻蚀铌酸锂条形波导。
优选地，输入波导(1)、输出波导(2)、第一弯曲波导(I)和第二弯曲波导(II)衬底的厚度为500μm，掩埋层的厚度为3μm，铌酸锂芯层厚度为600nm，深刻蚀的刻蚀深度为600nm，波导侧壁倾角7为65度。
优选地，偏振旋转器结构关于结构中心中心对称。
图4偏振旋转器中铌酸锂波导的剖面图；
图5输出波导的TE光和TM光的透过率仿真曲线。
实施例1：
选用基于硅绝缘体上铌酸锂(Lithium Niobate on Insulator，LNOI)的X切的铌酸锂，其芯层为铌酸锂材料，厚度为600nm，折射率为(x方向2.138，y方向2,211，z方向2,211)；二氧化硅掩埋层厚度为，折射率为1.445；空气上包层折射率为1；硅衬底层厚度为500μm，折射率为3.476。刻蚀波导的刻蚀深度为600nm，波导侧壁倾角为65度，铌酸锂波导传输TE、TM混合偏振的基模。
各宽度渐变的欧拉弯曲波导121和222最大弯曲半径是45μm，最小弯曲半径为5μm，波导宽度渐变从620nm到810nm；宽度渐变的欧拉弯曲波导122和221最大弯曲半径是45μm，最小弯曲半径为5μm，波导宽度渐变从810nm到260nm；圆弧波导111和211的弯曲半径为5μm，波导宽度为810nm。
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)

1.一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，其特征在于，包括第一级偏振旋转器和第二级偏振旋转器，所述的第一级偏振旋转器包括第一弯曲波导(I)，第二级偏振旋转器包括第二弯曲波导(II)；所述的第一弯曲波导和第二弯曲波导均由两根宽度渐变的欧拉弯曲波导即第一宽度渐变的欧拉弯曲波导，第二宽度渐变的欧拉弯曲波导和一根圆弧波导构成，第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(i21)，圆弧波导(i11)，第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(i22)依次首尾相连；第一级偏振旋转器中的第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(122)与第二级偏振旋转器中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(221)相连；欧拉弯曲波导宽度渐变随着弯曲角度线性渐变。
2.根据权利要求1所述的一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，其特征在于，偏振旋转器的输入端设置有输入波导(1)，输出端设置有输出波导(2)；
输入波导(1)与第一弯曲波导(I)中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(121)相连；第二弯曲波导(II)中第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(222)与输出波导(2)相连。
3.根据权利要求2所述的一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，其特征在于，输入波导(1)和输出波导(2)为深刻蚀铌酸锂条形波导。
4.根据权利要求3所述的一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，其特征在于，输入波导(1)、输出波导(2)、第一弯曲波导(I)和第二弯曲波导(II)衬底的厚度为500μm，掩埋层的厚度为3μm，铌酸锂芯层厚度为600nm，深刻蚀的刻蚀深度为600nm，波导侧壁倾角(7)为65度。
5.根据权利要求1-4任意所述的一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，其特征在于，偏振旋转器结构关于结构中心中心对称。
6.根据权利要求2-4任意所述的一种级联弯曲波导型铌酸锂偏振旋转器，其特征在于，工作过程如下：
光信号电场垂直波导上表面方向的偏振光TM或电场平行于波导上表面方向的偏振光TE由输入波导(1)输入，在经过第一弯曲波导(I)中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(121)后，光场模式实现从条形波导模式到弯曲波导模式的无损转换，同时，TM光或TE光在垂直光传播方向的平面内发生旋转；随后经过第一弯曲波导(I)中的圆弧波导(111)和第二宽度渐变的欧拉波导(122)后，光信号的偏振方向在垂直光传播方向的平面内继续发生旋转；发生偏振旋转后的光信号继续经过第二弯曲波导(II)中的第一宽度渐变的欧拉弯曲波导(221)，光场模式实现在不同曲率的弯曲波导间转换，同时，光信号的偏振方向发生旋转；随后，在经过第二弯曲波导(II)中的圆弧波导(211)和第二宽度渐变的欧拉弯曲波导(222)后，光信号的偏振方向继续旋转成为TE光或TM光，光场模式实现从弯曲波导模式到条形波导模式的无损转换，并从输出波导(2)输出。
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