CN112748589B - 基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，包括第一移相区、模式转换区、第二移相区、弯曲波导；第一移相区一端为输入端，另一端通过弯曲波导与模式转换区的一端相连；第一移相区、第二移相区由未极化反转的铌酸锂直波导、弯曲波导、极化反转的铌酸锂直波导、电极构成，直波导沿铌酸锂晶轴的Y方向，电极位于直波导左右两侧；模式转换区另一端通过弯曲波导与第二移相区一端相连；第二移相区另一端为输出端，将偏振控制器的光输出；所述模式转换区由铌酸锂直波导、弯曲波导、电极构成，电极位于直波导周围；第一、第二移相区通过极化反转部分铌酸锂波导实现推挽工作模式。本发明具有速度高、精度高、尺寸小、易于集成的优点。

Description

基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器及制备方法
技术领域
本发明设计光通信技术领域，具体为一种基于X切铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器。
背景技术
信息时代数据流量爆发式增长，这对数据的传输、储存、处理提出了更高的要求，诸如超高清视频、大型游戏、云服务等业务，需要高性能、低成本的器件提供强有力的物理层支持，光通信网络成为通信中必不可少的一环。5G网络、数据中心的升级，加快40Gbit/s、100Gbit/s或甚至更高速的光纤通信网络的铺设，而科研工作者开始研究400Gbit/s甚至Tbit/s的传输系统。在光纤通信领域中，当光信号在光纤中传输时，理想情况下输出光的偏振态不会发生变化。但在实际的光通信系统中，由于1)光纤制造工艺造成光纤不对称、存在应力或者其它缺陷使光纤本身具有双折射特性，2)在传输链路中由于诸如温度、机械应力等外界环境引入双折射等造成光在光纤中传输时其偏振态是时刻变化的。偏振态的变化势必会增加系统的偏振相关损害，如偏振模式色散、偏振相关损耗、偏振相关调制、偏振相关波长等等。有效解决偏振相关损害的方法时对通信系统中的光偏振态进行实时控制，需要能够将任意偏振态的输入光转换为任意所需的偏振态的输出光的器件，即偏振控制器。
传统的以开关键控(On-off-keying，OOK)等为代表的二进制调制格式逐渐被更适合高传输速率的差分正交移相键控(DQPSK)调制技术所取代，利用偏振复用技术(PDM)，其传输速率可在提高一倍，同时可提高频谱利用效率降低系统传输的符号速率。PDM-DQPSK系统中，接收端有多种不同的方式实现对信号的解复用，常见的有两种：一种是直接接收；另一种是相干接收，其系统中需要本振激光、高速模数转换模块(ADC)、高速数字信号处理(DSP)芯片等，利用DSP在电域实现偏振解复用和通道线性损伤(CD、PMD)补偿，以此减少或者消除对光色散补偿器和低PMD光纤的依赖，与直接接收相比灵敏度有3dB的提高。基于高速DSP技术的相干接收在长距离通信系统中比较成熟的主流方案，3dB灵敏度的提高使其覆盖范围翻倍进而使所需中继站的数量几乎减半，所减少的中继站费用可以摊薄高速DSP、ADC的高成本及高功耗所带来的额外费用。但在数据中心、5G前传链路等短距离高速传输系统中，对成本、功耗、端口密度等性能指标要求更严格，并且偏振色散及偏振相关非线性可以忽略不计，这些特性使得在以数据中心为代表的短距离高速通信系统中要尽可能避免使用昂贵的高速ADC和DSP。所以基于DSP的相干检测并不适用于数据中心，相反直接接收更适合数据中心等场景，而高速的偏振控制器是直接接收中并不可少的器件。其是克服光传输系统中偏振相关损耗和监测仪器偏振的关键元件。再者，即使在相干检测中，利用偏振控制器跟信号光的偏振态使其与本振光的偏振态相匹配可以进一步提高其信噪比。综上，设计出高性能的偏振控制器对光通信系统，特别是可基于PMD-DPSK的高速通信网络是十分必要的。
总之，在现代光通信系统中，偏振控制器是必不可少的关键器件之一。
实现偏振控制的方式很多，已有的偏振控制器包括光纤挤压型、光纤缠绕型、波片旋转型、电光调制型等等。目前的光纤挤压型/缠绕型偏振控制器，是通过手动旋转光纤环片或者电动控制压电材料等方式对光纤施加不同方向的外力，进而通过产生双折射效应来获得不同的光偏振态的，其优点是结构简单，成本低廉。但在实际应用中存在一定的问题：(1)手动光纤挤压型偏振控制器由于没有精确的标识，只能大致调节，并未能实现精确控制偏振态，且若需要重复原来的偏振态，需要长时间的调整，调节效率差，重现率低(2)现有的光纤偏振控制器属于压力型作用，存在物理疲劳现象，当光纤环片松动或者光纤发生物理疲劳时，压力效果不明显，容易有出错；(3)光纤偏振控制器体积较大，并不适用于片上集成。
波片旋转型是通过三片以上的半波片和四分之一波片级联，并用手控或电控方式旋转波片的主轴方向，以在不同方向上引入双折射，从而达到偏振控制器的目的，这种方法相对于光纤挤压型更加精确，但这种方法是通过波片的机械旋转，其响应速度较慢。
铌酸锂晶体具有优异的电光性能和光学特性，可以实现无源器件、有源器件、非线性器件等，传统的基于体材料的铌酸锂也常被用于制备高性能偏振控制器，但由于波导折射率差比较小，波导尺寸比较大，难以实现集成。同时，其半波电压大需要较高的偏压，进而需要复杂的控制电路。
发明内容
1、本发明的目的
本发明为了解决短距离高速通信系统，避免使用昂贵的高速ADC和DSP器件的问题，而提出了一种基于X切的基于薄膜铌酸锂的偏振控制器，具有速度高、精度高、尺寸小、易于集成等特点。
本发明提出了一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，包括第一移相区、模式转换区、第二移相区、弯曲波导；
第一移相区一端为输入端，光通过输入端输入偏振控制器，另一端通过弯曲波导与模式转换区的一端相连；所述的第一移相区、第二移相区由未极化反转的铌酸锂直波导、弯曲波导、极化反转的铌酸锂直波导、电极构成，直波导沿铌酸锂晶轴的Y方向，电极位于直波导左右两侧；
所述的第一移相区分为N1段、所述的模式转换区分为N2段、所述的第二移相区分为N3段，其中N1、N2、N3为大于等于1的整数；
模式转换区另一端通过弯曲波导与第二移相区一端相连；第二移相区另一端为输出端，将偏振控制器的光输出；
所述模式转换区由铌酸锂直波导、弯曲波导、电极构成，电极位于直波导周围；
所述的第一、第二移相区通过极化反转部分铌酸锂波导实现推挽工作模式即极化增强相位改变量。
更进一步，所述电极采用啁啾电极或两段式电极，两段式电极其中一段作为主控制电极，另外一段电极作为副控制电极。
更进一步，采用了两段式电极进行施加电压进而实现移相：
操作主控制电极实现对相位的调控，当主控制电极的电压达到其边界值时，将副控制电极来实现相位的调控，当主控制电极的电压达到边界值时候，将主控制电极往其取值范围内调整，同时调整赋空值电极使两段电极保持相位按照所需的变化趋势连续变化。进而避免相位的跳变引起偏振态的跳变。这能够避免主控制电极和副控制电极同时达到电压边界值的情况出现。
更进一步，所述的铌酸锂直波导和弯曲波导由包层、芯层构成，芯层为铌酸锂，包层为低折射率的材料。
更进一步，控制电极采用GSG型的电极；所述的第一、第二移相区通过极化反转部分铌酸锂波导实现推挽工作模式：
极化反转部分铌酸锂波导极化反转后，其晶向方向变化，两种铌酸锂波导晶向与电场方向一致，其对两偏振模式TE、TM相位差的改变量增强，降低驱动电压。
更进一步，铌酸锂波导的下包层和上包层为二氧化硅，基底为硅；模式转换区的两偏振模式TE、TM的有效折射率不相等，存在双折射；
在第一移相区、第二移相区，GSG型电极位于铌酸锂波导的两侧，在电场Ez的作用下调控TE、TM两偏振模式的相位差；
在模式转换区，铌酸锂波导为实现正交的TE/TM模式的转换，需要在介电常数张量中引入非对角线元素，在X-切Y-传情况下，TE/TM模式之间的转换通过电场的Ex分量来实现，将电极放置在铌酸锂波导顶部来获得电场的Ex分量，TE/TM的模式之间的耦合通过Ex和Ey分量实现。
更进一步，由于铌酸锂材料的双折射效应十分显著，成TE/TM两偏振模式存在相位失配，使得TE/TM很难实现完全转换。所以需要通过特殊的设计来满足相位匹配条件通常采用周期电极来实现相位的准匹配条件。周期电极的周期Λ＝λ0/|nTE-nTM|，其中λ0是真空中的波长。
更进一步，当模式转换区的两偏振模式TE、TM折射率匹配的时候，即不存在相位失配的情况下，模式转换区的电极的电场Ex分量不为零，分段电极的两段信号电极位于铌酸锂波导的顶部。
本发明提出了一种基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器的制备方法，包括如下步骤：
S1.在铌酸锂薄膜利用光刻刻蚀技术制备极化电极掩模；
S2.利用金属剥离工艺制备电极，得到铌酸锂极化电极；
S3.采用极化工艺，改变铌酸锂波导晶体方向；
S4.去除极化电极，得到已部分极化的铌酸锂薄膜；
S5.在S4上得到的薄膜，利用光刻刻蚀技术制备铌酸锂输入输出波导；
S6.在S5步骤所获得基片上沉积二氧化硅；
S7.刻蚀二氧化硅，为电极开窗口；
S8.利用金属剥离工艺制备电极，得到铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器。
更进一步，所述的光刻包括通过步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写、激光直写；刻蚀包括干法刻蚀、湿法刻蚀；电极方法包括磁控溅射、电子束蒸镀、电镀。
3、本发明所采用的有益效果
(1)本发明在光路转弯前铌酸锂波导通过端面耦合；通过折叠后，可以在不影响器件性能的情况下，实现器件尺寸大幅减小，有利于实现偏振控制器的小型化。
(2)本发明的结构选择合适的折叠次数，输入输出波导可以实现在同一段，为后期与光纤的耦合封装提供便利。
(3)本发明所采用的工艺步骤具有成本低、工艺简单等优点。
(4)本发明采用铌酸锂薄膜来实现偏振控制器，铌酸锂材料优异电光效应使其具有响应速度快、功耗低等优势，较大的折射率差使其具有尺寸小、易于集成的特点。
(5)为降低驱动电压，本发明通过极化反转工艺实现“推挽式”电压驱动来调控相位。
(6)为避免当电压处于边界值时造成偏振态跳变及复杂的电压复位操作，本发明采用分段式电极实现对相位及偏振模式转换的控制。
附图说明
图1为本发明一种基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器的原理框图。
图2为本发明GSG型移相区驱动电极工作原理示意图。
图3为本发明实施例一模式转换区TE、TM折射率不相等情况下的一种基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器结构示意图。
图4为本发明实施例一第一移相区AA’处波导截面示意图。
图5为本发明实施例一模式转换区BB’处波导截面示意图。
图6为本发明实施例二模式转换区TE、TM折射率相等情况下的一种基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器结构及截面示意图。
图7为本发明制备方法步骤流程图。
其中，100-第一移相区，101-第一移相区第一铌酸锂波导、102-第一移相区第二铌酸锂波导、110-第一移相区的GSG型分段电极、111-第一移相区GSG型分段电极第一段的地电极、112-第一移相区GSG型分段电极第一段的信号电极、113-第一移相区GSG型分段电极第二段的地电极、114-第一移相区GSG型分段电极第二段信号电极、200-模式转换区、201-模式转换区的铌酸锂波导、210-模式转换区的分段电极、211-模式转换区分段电极第一段地电极、212-模式转换区分段电极第一段信号电极、213-模式转换区分段电极第二段地电极、214-模式转换区分段电极第二段信号电极、300-第二移相区、400-弯曲铌酸锂波导、501-铌酸锂波导下包层、502-铌酸锂波导的基底、503-铌酸锂波导上包层。
具体实施方式
下面结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。
本发明所涉及的偏振控制器是基于X切的薄膜型铌酸锂波导的，主要包括第一移相区，模式转换区和第二移相区。构成第一移相区、模式转换区、第二移相区的铌酸锂波导有芯层和包层构成，其中芯层为薄膜型铌酸锂，包层为二氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、氧化铝等低折射率材料构成。在移相区的电场方向可以是任意的，为充分利用铌酸锂材料较大的电光系数，电场方向优选平行于铌酸锂晶向的Z轴，本发明中为实现进一步降低驱动电压，移相区工作于推挽模式，为实现该模式其电场方向需要平行于Z轴，故移相区铌酸锂波导采用X切Y传方式。在模式转换区，需要利用铌酸锂电光张量的非对角线上的电光系数实现TE和TM模式之间的转换，结合铌酸锂材料电光系数特性，其电场的方向不能平行于铌酸锂的Z轴方向。在模式转换区，铌酸锂波导为沿晶体的Y轴时，电极位于波导的上下两侧；铌酸锂波导沿晶体的Z轴时，电极位于波导上下两侧，或者左右两侧，抑或同时位于波导的四周。
为进一步降低移相区的驱动电压，本发明所采用的技术方案采用GSG型电极使移相区工作与推挽驱动模式下，为实现推挽驱动模式，需要铌酸锂波导需要弯曲180°，实现两平行波导分别位于GSG电极的两个GS电极之间，同时其中一根波导需要极化反转处理，使平行的两根波导的晶向与电场方向始终保持一致。
为进一步减小单个电极的驱动，本发明采用分段电极的方式，第一移相区、模式转换区的电极、第二移相区的电极分别分成N1、N2和N3段，其中N1、N2和N3均为大于等于1的整数。采用分段电极一方面可以降低驱动电压，使得每段电极上说施加的电压降低，另一方面可以实现偏振态的无需复位的无尽控制。其工作原理为：当其中某个电极的某一段电压达到极限值附近时，该段电极的电压往偏离极限值方向调整，同时调整其它几段电极上的电压使得整个电极的电压保持向所需的方向调整。通过该种方式可以确保偏振态稳定平滑变化的同时，有效地避免因为第一、第二移相区或者模式转换区的电压达到极限值时所需的复杂的复位操作。
所述的铌酸锂波导选择范围包括掩埋型矩形波导、脊形波导、加载条形波导以及与硅波导组合成的混合波导结构。铌酸锂波导的包层优选二氧化硅；所述的电极选择范围包括行波电极、集总电极以及混合电极；模式转换区的铌酸锂直波导沿铌酸锂晶体的Y轴，相应电极位于铌酸锂波导的上面。第一移相区和第二移相区结构一样。
本发明所涉及的偏振控制器是由第一移相区、模式转换区、第二移相区构成，其中第一移相区通过调整输入光的相位将输入光转变为线偏振光，模式转换区实现两模式TE、TM之间的转换，第二移相区通过调整光的相位将光转为所需的任意片偏振态，原理框图如图1所示。
本发明利用铌酸锂材料优异的电光效应，通过调控电压调控两偏振模式TE、TM之间相位差以及相互之间的转换，进而实现对偏振态的调控。本发明为了进一步减小驱动电压，采用类似铌酸锂调制器中常用的推挽结构，即其控制电极采用GSG型的电极。如图2(a)所示，假设第一移相区100某一时刻电极中的电场方向如图中虚线所示，第一铌酸锂波导101和第二铌酸锂波导102均未极化，在第一铌酸锂波导101处电场方向与铌酸锂波导晶向Z相反，在电场的作用下第一铌酸锂波导101的折射率会有所减小。第二铌酸锂波导102处电场方向与铌酸锂波导晶向Z一致，在电场的作用下第二铌酸锂波导102的折射率有所增加。理想情况下，第一铌酸锂波导101和第二铌酸锂波导102处的电场强度一样，其对波导折射率的改变量一样，但改变方向相反，使得最终经过第一铌酸锂波导101和第二铌酸锂波导102的两偏振模式TE、TM相位差改变量相互抵消，未能有效改变两偏振模式之间的相位差。如图2(b)所示，第二铌酸锂波导102经过极化反转处理，其晶向方向变化，此时第一铌酸锂波导101和第二铌酸锂波导102的晶向与电场方向一致，其对两偏振模式TE、TM相位差的改变量增强，从而可达到降低驱动电压的目的。
在改变相位过程中，本发明采用了两段式电极进行施加电压进而实现移相。由于偏振控制器在实际应用中，电压的取值是有一定的范围的，存在复杂的复位操作来避免偏振态的跳变，即某一时刻为实现所需偏振态，其所用电压需超过阈值范围，而为保证电压在阈值范围内工作，需对当前电压做复位操作。简单的复位操作极易引起偏振态出现跳变。本发明采用的两段式电极来避免电压的复位。在两段电极中，其中一段作为主控制电极，另外一段电极作为副控制电极，通常情况下通过操作主控制电极来实现对相位的调控，当主控制电极的电压达到其边界值时，将副控制电极来实现相位的调控，当主控制电极的电压达到边界值时候，将主控制电极往其取值范围内调整，同时调整赋空值电极使两段电极的整体效果仍然保持相位按照所需的变化趋势连续变化，进而避免相位的跳变引起偏振态的跳变。这能够避免主控制电极和副控制电极同时达到电压边界值的情况出现。
本发明公开了一种基于铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器的制备方法，其流程图如图7所示：
S1.在铌酸锂薄膜利用光刻刻蚀技术制备极化电极掩模；
S2.利用金属剥离工艺制备电极，得到铌酸锂极化电极；
S3.采用极化工艺，改变铌酸锂波导晶体方向；
S4.去除极化电极，得到已部分极化的铌酸锂薄膜；
S5.在S4上得到的薄膜，利用光刻刻蚀技术制备铌酸锂输入输出波导；
S6.在S5步骤所获得基片上沉积二氧化硅；
S7.刻蚀二氧化硅，为电极开窗口；
S8.利用金属剥离工艺制备电极，得到铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器。
在上述步骤中，光刻可通过步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写、激光直写等方法来完成；刻蚀包括干法刻蚀(如ICP、RIE等)、湿法刻蚀等方法实现；电极可通过磁控溅射、电子束蒸镀、电镀等方法实现。
实施例1
如图3所示，为本发明的一种实施例，铌酸锂波导的下包层501和上包层503为二氧化硅，基底502为硅。在该实施例中模式转换区的两偏振模式TE、TM的有效折射率不相等，存在双折射。在第一移相区100、第二移相区300，第一移相区100的GSG型分段电极110位于铌酸锂波导的两侧，在电场Ez的作用下调控TE、TM两偏振模式的相位差，截面示意图如图4所示。在模式转换区200，铌酸锂波导中为实现正交的TE/TM模式的转换，需要在介电常数张量中引入非对角线元素，在X-切Y-传情况下，TE/TM模式之间的转换需要通过电场的Ex分量来实现，因此不同于移相区将电极放置波导两侧，对于模式转换区需要将电极放置在波导顶部来获得电场的Ex分量。在X-切Y-传的情况下，TE/TM的模式之间的耦合可以通过Ex和Ey分量来实现。本实施例中模式转换区波导为X-切Y-传，电极位于铌酸锂波导顶部，截面示意图如图5所示。由于铌酸锂材料的双折射效应十分显著，成TE/TM两偏振模式存在相位失配，使得TE/TM很难实现完全转换。所以需要通过特殊的设计来满足相位匹配条件通常采用周期电极来实现相位的准匹配条件。周期电极的周期Λ＝λ0/|nTE-nTM|，其中λ0是真空中的波长。对其原理做一简单地解释：没有周期电极时，TE、TM光以不同的速度在波导中传播，传播距离为Λ/2时，二者之间的相位失配量积累到π，TE、TM相干增强，TE(TM)一部分能量转换到TM(TE)中，在接下来的Λ/2距离里，转换的能量又重新回到TE(TM)中，如果采用周期电极，在接下来的Λ/2距离里，因TE、TM的折射率差发生变化，两者之间的相位失配量不再是π，从而在前一段Λ/2转换的能量不会完全转换回TE(TM)中，在经过若干个周期后，即可实现TE(TM)到TM(TE)的完全转换。周期电极的最大缺点时其工作带宽有限，该缺点可以通过设计啁啾电极来改善。为避免电压复位操作，模式转换器的周期电极也采用两段电极来实现。
实施例2
在铌酸锂波导中，当TE、TM折射率匹配的时候，即不存在相位失配的情况下，可以避免采用周期电极或啁啾电极使TE、TM折射率匹配，结构示意图如图6所示。移相区的电极与实施例一一样，模式转换区的电极由于TE、TM折射率匹配，不需要周期电极即可以实现两个模式之间的完全转换，此时为利用铌酸锂电光系数的非对角线元素，电场Ex分量不能为零，模式转换区分段电极210的模式转换区分段电极第一段信号电极212和模式转换区分段电极第二段信号电极214位于铌酸锂波导201的顶部。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，包括第一移相区、模式转换区、第二移相区、弯曲波导；其特征在于：
第一移相区一端为输入端，光通过输入端输入偏振控制器，另一端通过弯曲波导与模式转换区的一端相连；所述的第一移相区、第二移相区由未极化反转的铌酸锂直波导、弯曲波导、极化反转的铌酸锂直波导、电极构成，直波导沿铌酸锂晶轴的Y方向，电极位于直波导左右两侧；
所述的第一移相区分为N1段、所述的模式转换区分为N2段、所述的第二移相区分为N3段，其中N1、N2、N3为大于等于1的整数；
模式转换区另一端通过弯曲波导与第二移相区一端相连；第二移相区另一端为输出端，将偏振控制器的光输出；
所述模式转换区由铌酸锂直波导、弯曲波导、电极构成，电极位于直波导周围；
所述的第一、第二移相区通过极化反转部分铌酸锂波导实现推挽工作模式即极化增强相位改变量。
2.根据权利要求1所述的一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，其特征在于：所述电极采用啁啾电极或两段式电极，两段式电极其中一段作为主控制电极，另外一段电极作为副控制电极。
3.根据权利要求2所述的一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，其特征在于：采用了两段式电极进行施加电压进而实现移相：
操作主控制电极实现对相位的调控，当主控制电极的电压达到其边界值时，通过副控制电极来实现相位的调控，当主控制电极的电压达到边界值时候，将主控制电极往其取值范围内调整，同时调整赋空值电极使两段电极保持相位按照所需的变化趋势连续变化。
4.根据权利要求1所述的一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，其特征在于：所述的铌酸锂直波导和弯曲波导由包层、芯层构成，芯层为铌酸锂，包层为低折射率的材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，其特征在于：所述的第一、第二移相区电极采用GSG型的电极；所述的第一、第二移相区通过极化反转部分铌酸锂波导实现推挽工作模式：
极化反转部分铌酸锂波导极化反转后，其晶向方向变化，两种铌酸锂波导晶向与电场方向一致，其对两偏振模式TE、TM相位差的改变量增强，降低驱动电压。
6.根据权利要求4所述的一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，其特征在于：铌酸锂波导的下包层和上包层为二氧化硅，基底为硅；模式转换区的两偏振模式TE、TM的有效折射率不相等，存在双折射；
在第一移相区、第二移相区，GSG型电极位于铌酸锂波导的两侧，在电场Ez的作用下调控TE、TM两偏振模式的相位差；
在模式转换区，铌酸锂波导为实现正交的TE/TM模式的转换，需要在介电常数张量中引入非对角线元素，在X-切Y-传情况下，TE/TM模式之间的转换通过电场的Ex分量来实现，将电极放置在铌酸锂波导顶部来获得电场的Ex分量，TE/TM的模式之间的耦合通过Ex和Ey分量实现。
7.根据权利要求6所述的一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，其特征在于：采用周期电极来实现相位的准匹配条件：周期电极的周期
Figure 947384DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure 474311DEST_PATH_IMAGE004
是真空中的波长。
8.根据权利要求1所述的一种基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器，其特征在于：当模式转换区的两偏振模式TE、TM折射率匹配的时候，即不存在相位失配的情况下，模式转换区的电极的电场Ex分量不为零，分段电极的两段信号电极位于铌酸锂波导的顶部。
9.一种如权利要求1-8任一所述的基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
S1.在铌酸锂薄膜利用光刻刻蚀技术制备极化电极掩模；
S2.利用金属剥离工艺制备电极，得到铌酸锂极化电极；
S3.采用极化工艺，改变铌酸锂波导晶体方向；
S4.去除极化电极，得到已部分极化的铌酸锂薄膜；
S5.在S4上得到的薄膜，利用光刻刻蚀技术制备铌酸锂输入输出波导；
S6.在S5步骤所获得基片上沉积二氧化硅；
S7.刻蚀二氧化硅，为电极开窗口；
S8.利用金属剥离工艺制备电极，得到铌酸锂薄膜的集成高速偏振控制器。
10.根据权利要求9所述的基于X切的薄膜铌酸锂波导的偏振控制器的制备方法，其特征在于：所述的光刻包括通过步进式光刻机或接触式光刻机或电子束直写或激光直写；刻蚀包括干法刻蚀或湿法刻蚀；电极方法包括磁控溅射或电子束蒸镀或电镀。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115524875A (zh) * 2021-06-25 2022-12-27 苏州极刻光核科技有限公司 波导线电极结构和电光调制器
CN113777711B (zh) * 2021-08-04 2022-09-16 华中科技大学 一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器
CN113777706B (zh) * 2021-08-11 2022-09-20 华中科技大学 一种基于x切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器
CN115903283A (zh) * 2021-08-19 2023-04-04 南京刻得不错光电科技有限公司 折叠型电光调制器

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000003505A1 (de) * 1998-07-10 2000-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur polarisationsmodendispersion-kompensation und polarisationsmodendispersion-kompensator
JP2012058696A (ja) * 2010-09-13 2012-03-22 Anritsu Corp 導波路型光デバイスおよびｄｐ−ｑｐｓｋ型ｌｎ光変調器
CN108107607A (zh) * 2016-11-24 2018-06-01 天津领芯科技发展有限公司 一种低损耗低驱动电压的高速偏振控制器及光量子偏振态控制模块
CN110609399A (zh) * 2019-08-05 2019-12-24 华南师范大学 折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器及其制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5182049B2 (ja) * 2008-12-09 2013-04-10 富士通株式会社 偏波変換デバイス及び偏波多重変調器

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000003505A1 (de) * 1998-07-10 2000-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur polarisationsmodendispersion-kompensation und polarisationsmodendispersion-kompensator
JP2012058696A (ja) * 2010-09-13 2012-03-22 Anritsu Corp 導波路型光デバイスおよびｄｐ−ｑｐｓｋ型ｌｎ光変調器
CN108107607A (zh) * 2016-11-24 2018-06-01 天津领芯科技发展有限公司 一种低损耗低驱动电压的高速偏振控制器及光量子偏振态控制模块
CN110609399A (zh) * 2019-08-05 2019-12-24 华南师范大学 折叠式硅-铌酸锂混合集成电光调制器及其制备方法

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