CN113534504A - 一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件，属于集成光学领域。方法包括：将包含TE模式和TM模式两个偏振态的输入光分成强度和相位都相同的两路光束，通过铌酸锂的电光效应和热光效应调控两路光束之间的相位差；当TE模式的相位差满足(2m+3/2)π，且TM模式的相位差满足(2m+1/2)π时，两个偏振态分离并分别从一路径独立输出；其中，m位自然数；当TM模式的相位差满足(2m+3/2)π，且TE模式的相位差满足(2m+1/2)π时，两个偏振态的输出路径切换。本发明基于铌酸锂波导的电光效应和热光效应共同调节TM模式和TM模式两个偏振态的相位，能够实现TE偏振态和TM偏振态的分束及输出路径的快速切换；同时，本发明具备小尺寸、低损耗、高切换速度等优势。
Description
技术领域
本发明属于集成光学领域，更具体地，涉及一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件。
背景技术
铌酸锂(LN)一直是通信系统中高速电光调制器和非线性波长转换设备的理想选择，因为它具有宽透明窗口(350-5000nm)，高电光系数(～34pm/V)，强非线性效应和良好的温度稳定性。然而，传统的LN器件都是采用质子交换法或者钛扩散法制作而成，波导对光的限制能力差，光的模场分布大，因此传统的铌酸锂器件体积大，功耗高，不利于大规模的集成应用。薄膜铌酸锂技术的发展为铌酸锂平台带来了革命性的变化，绝缘体上铌酸锂(LNOI)的结构类似于绝缘体上硅，由最下方的衬底层，中间低折射率埋氧层(氧化硅)以及最上方的薄膜铌酸锂组成。铌酸锂和氧化硅之间高折射率差极大地增加了波导对光的限制，因此可以制作出高集成度，低功耗的光学器件。
基于薄膜铌酸锂的高速电光调制器是最核心的器件，相较于硅基调制器具有高带宽和低插入损耗的优势，目前其3dB电光带宽可以达到百GHz量级，在未来高速主干通信网中有极大的应用潜力。偏振复用技术可以在不增加信道数量的前提下将通信容量翻倍，因此偏振复用器和电光调制器的单片集成能够进一步推动基于LNOI的高速集成光子系统的应用。而偏振分束器是实现偏振复用的核心器件，因此在LNOI平台上实现高性能的偏振分束器至关重要。
在现有的技术中，波导型偏振分束器依照工作原理可以分为基于MMI型、基于马赫－曾德尔干涉仪型、基于定向耦合器型、基于光子晶体结构型、基于亚波长光栅型、基于金属表面等离子体型。以上这些传统结构的偏振分束器只能静态工作，只对特定的波段有效并且一个偏振态只能从特定的端口输出。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法及器件，其目的在于实现光束TE模式和TM模式两个偏振态的分离及输出路径的快速切换。
一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法，包括以下步骤：
将包含TE模式和TM模式两个偏振态的输入光分成强度和相位都相同的两路光束，通过铌酸锂的电光效应和热光效应调控两路光束之间的相位差；
当TE模式的相位差满足
且TM模式的相位差满足
时，两个偏振态分离并分别从一路径独立输出；其中，m为自然数；
当TM模式的相位差满足
且TE模式的相位差满足
时，两个偏振态的输出路径切换。
进一步地，还包括步骤：监控偏振分离后的两路光束的偏振态，确定TE模式的光束和TM模式的光束是否已经完全分离。
一种实现权利要求1方法的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，包括：
输入波导，用于光束输入；
1×2 MMI，用于将输入光分成强度和相位都相同的两路光；
两条铌酸锂波导臂，用于传导1×2 MMI输出的两路光束；
GSG电极和加热电极，通过分别控制GSG电极和加热电极的电压使得两条铌酸锂波导臂分别产生电光效应和热光效应，进而改变通过两条铌酸锂波导臂光束的相位差；其中，调节波导臂两路光束的相位差满足TE模式的相位差为
且TM模式的相位差为
或者TM模式的相位差为
且TE模式的相位差为
m为自然数；
2×2 MMI，使经过GSG电极和加热电极相位调控后的两条铌酸锂波导臂的光束通过其后分为TE模式的光束和TM模式光束，并分别从其两个输出端口独立输出；
两条输出波导，用于将经过2×2 MMI偏振分束的光分别从不同通道独立输出。
进一步地，所述GSG电极包括两条地电极和一条信号电极，其中两条地电极位于信号电极两边，两条铌酸锂波导臂穿插在信号电极和地电极之间；所述加热电极位于任意一条铌酸锂波导臂旁边。
进一步地，所述输入波导、两条铌酸锂波导臂、两条输出波导为条形波导或脊形波导。
进一步地，所述输入波导、两条铌酸锂波导臂、两条输出波导为单模波导或多模波导。
进一步地，还包括端口监视装置，用于监控偏振分离后的两路光束的偏振态，确定TE模式的光束和TM模式的光束是否已经在两条输出波导中分离；所述端口监视装置包括：
两个定向耦合器，与两条输出波导耦合，用于从中分出一部分光束；
两个光栅耦合器，将两个定向耦合器中的分出的光束耦合进光纤中；
两个光纤偏振分束器，用于将光纤中的光束的两个偏振态TE模式和TM模式分离；
两个光功率计，分别监控偏振分离后两个偏振态的功率。
一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器芯片，包括位于最下方的衬底层，中间的埋氧层，薄膜铌酸锂，最上方的包层以及上述所述的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，所述基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器单片集成在薄膜铌酸锂上。
进一步地，所述薄膜铌酸锂为X切薄膜铌酸锂，光波导传输方向沿晶体的Y轴方向。
进一步地，所述包层的折射率小于1.6。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，基于铌酸锂波导的电光效应和热光效应共同调节TM模式和TM模式两个偏振态的相位，能够实现TE偏振态和TM偏振态的分束及输出路径的切换。
(2)通过薄膜铌酸锂的电光效应可以快速改变铌酸锂波导的折射率进而调控光束的相位，可以实现输出路径的快速切换，以灵活应对偏振分集或者偏振复用等应用场景的不同需求。
(3)通过改变GSG电极和加热电极电压大小可以动态调节工作波段，以满足不同工作波段的需求。
(4)本发明所述的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，优选为X切薄膜铌酸锂，光波导传输方向沿晶体的Y轴方向，与主流的铌酸锂电光调制器保持一致，以便于该偏振分束器和铌酸锂电光调制器的单片集成，利用偏振复用技术扩展单通道的数据传输容量。
(5)本发明所述的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器制备方法与标准CMOS半导体制造工艺兼容，制作工艺成熟。
总而言之，本发明的装置整具有小尺寸、低工作电压、低损耗、低串扰、高切换速度等优势。
附图说明
图1为本发明一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器的结构示意图。
图2为本发明所述薄膜铌酸锂芯片截面结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为输入波导，2为1×2 MMI，3，4为铌酸锂波导臂，5为GSG电极，6为加热电极，7为2×2 MMI，8，9为输出波导，10，11为定向耦合器，12，13为光栅耦合器，14，15为光纤偏振分束器，16，17为光功率计，18为衬底层，19为埋氧层，20为包层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实施方式的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”等指示的方位关系为基于附图所示的方位关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例中的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，包括沿光路依次设置的输入波导1，用于光束输入；1×2 MMI 2，用于将输入光分成强度和相位都相同的两路光，其中MMI(Multi-Mode Inferometer)，多模干涉耦合器；铌酸锂波导臂3和铌酸锂波导臂4，用于传导1×2 MMI输出的两路光束；GSG电极5，通过控制GSG电极5的电压产生电场使得两条铌酸锂波导臂产生电光效应，进而改变两条铌酸锂波导臂的相位；加热电极6，通过控制加热电极6的电压改变两条铌酸锂波导臂的温度使其产生热光效应，进而改变两条铌酸锂波导臂的相位；通过分别控制GSG电极和加热电极的电压使得两条铌酸锂波导臂分别产生电光效应和热光效应，进而改变通过两条铌酸锂波导臂光束的相位差；其中，调节波导臂两路光束的相位差满足TE模式的相位差为
且TM模式的相位差为
或者TM模式的相位差为
且TE模式的相位差为
m为自然数；2×2 MMI 7，使经过GSG电极5和加热电极6相位调控后的两条铌酸锂波导臂的光束通过其后分为TE模式的光束和TM模式光束，并分别从两个输出端口独立输出；输出波导8和输出波导9，用于将偏振分束的光，即TE模式的光束和TM模式光束分别从不同通道独立输出。定向耦合器10和定向耦合器11，光栅耦合器12和光栅耦合器13，光纤偏振分束器14和光纤偏振分束器15，光功率计16和光功率计17组成监视端口，用于监控偏振分离后的两路光束的偏振态，确定TE模式的光束和TM模式的光束是否已经在输出波导8和输出波导9中分离。
具体的，1×2 MMI 2左端与输入波导1相连，右端分别与两条铌酸锂波导臂相连；上述GSG电极5包括两条地电极和一条信号电极，其中两条地电极位于信号电极两边，两条铌酸锂波导臂穿插在信号电极和地电极之间；加热电极6位于任意一条铌酸锂波导臂旁边，本实施例中，设置加热电极6位于铌酸锂波导臂4旁边；2×2 MMI 7左端与两条铌酸锂波导臂相连，右端与两条输出波导相连。监视端口中的定向耦合器10和定向耦合器11优选是99:1定向耦合器，分别与两条输出波导耦合，用于从中分出1％的光，并通过光栅耦合器12和光栅耦合器13耦合进入光纤中，通过光纤偏振分束器14和光纤偏振分束器15，将光纤中的光束的两个偏振态TE模式和TM模式分离，最后分别连接光功率计16和光功率计17，分别监控偏振分离后两个偏振态的功率。
铌酸锂材料是一种双折射、线性电光效应晶体，当铌酸锂受到沿着晶体Z方向施加的电场时，铌酸锂晶体的非寻常光折射率的变化由电光系数γ33决定，而寻常光折射率的变化由电光系数γ13决定，γ33远大于γ13，所以二者的变化不同，铌酸锂的电光效应是偏振相关的。而铌酸锂的热光效应也是偏振相关的，温度的变化对寻常光和非寻常光折射率的影响是不同的，并且非寻常光的热光系数dne/dt远大于寻常光的热光系数dno/dt。因此,可以通过两个维度来共同调节TE模式和TM模式两个偏振态的相位。
具体的，当输入的光束，即包含TE模式和TM模式两个偏振态的光束通过1×2 MMI2后，分成强度和相位都相同的两束光分别进入铌酸锂波导臂3和铌酸锂波导臂4，并受到外加电场GSG电极5的调制。外加电场的方向沿铌酸锂晶体的Z向，铌酸锂晶体中非寻常光，即TE模式的光束折射率的变化由电光系数γ33决定，而寻常光，即TM模式的光束折射率的变化由电光系数γ13决定，γ33远大于γ13，此时铌酸锂波导折射率在Z轴方向和X轴方向的变化量分别为：
导致铌酸锂波导臂3和铌酸锂波导臂4中对应的TM模式光束和TE模式光束有效折射率的改变量分别为：
当两条铌酸锂波导臂和GSG电极5结构确定后，电场和光场的交叠Γ是一个常数，因此TE/TM模式有效折射率变化量的大小取决于施加在GSG电极上的电压大小V。经过长度为L的电场传播后，由于推挽模式的影响，铌酸锂波导臂3和铌酸锂波导臂4之间的相位差为：
通过GSG电极5调控之后，铌酸锂波导臂4中TE模式和TM模式的光束继续经过加热电极6的调控。铌酸锂同样也具有热光效应，在通信中通常应用的1-4μm波段，非寻常光和寻常光的热光系数分别为：
可以看出，
和
的变化量和温度变化量有关，而温度变化量和加热电极6上施加的电压有关。因此，可以通过改变加热电极6的电压来改变
和
因此，通过控制GSG电极5电压的大小，可以调节铌酸锂波导臂3和铌酸锂波导臂4中TE模式和TM模式的光束的相位差
之后，通过调节加热电极6施加电压大小，调控铌酸锂波导臂4中TE模式和TM模式的光束的相位差
当光束到达2×2 MMI 7时，当铌酸锂波导臂3和铌酸锂波导臂4中TE模式的相位差
TM模式的相位差
时，TE模式和TM模式可以分别从输出波导8和输出波导9中输出；当铌酸锂波导臂3和铌酸锂波导臂4中TE模式的相位差为
TM模式的相位差为
时，TE模式和TM模式可以切换为从输出波导9和输出波导8中输出，其中，m为自然数。
进一步的，可以在输出波导8和输出波导9上设置监视端口来确定器件的工作状态。输出波导8和输出波导9通过定向耦合器10和定向耦合器11分出来1％的光束，并通过光栅耦合器12和光栅耦合器13耦合进入光纤，进入光纤后再通过光纤偏振分束器14和光纤偏振分束器15将TE模式和TM模式两个偏振态分开，最终由光功率计16和光功率计17分别监控每个偏振态的能量大小。当TE模式的光束从输出波导8输出，TM模式的光束从输出波导9输出时，监视输出波导8中的TE模式光束分量，输出波导9的TM模式光束分量，调节GSG电极5和加热电极6直到满足两个监视端口的功率都达到最大，器件就是正常工作模式，即输出波导8中输出的是偏振态为TE模式的光束，输出波导9中输出的是偏振态为TM模式的光束；切换输出路径的方法同理。当然，在其它实施例中，也可以是监视输出波导8中的TM模式光束分量，输出波导9的TE模式光束分量，调节GSG电极5和加热电极6直到满足两个监视端口的功率都达到最小，器件就是正常工作模式。
在本实施例中，所用到的1×2 MMI 2和2×2 MMI 7都是对偏振不敏感的元器件，对于1×2 MMI 2，选择一个相对小的多模区波导宽度，多模波导中主要存在TE0-TE2或TM0-TM2干涉。TE和TM的干涉长度由
决定，其中nTE0、nTE2为TE0和TE2的有效折射率，nTM0、nTM2为TM0和TM2的有效折射率。nTE0-nTE2和nTM0-nTM2的值基本相等，因此1×2 MMI具有偏振不敏感的性质。2×2 MMI同理也对偏振不敏感。
上述实施例中，输入波导、两条铌酸锂波导臂、两条输出波导优选为条形波导或脊形波导；波导内支持的模式可以是单模或多模。
优选地，GSG电极5材料可以为单一金属，如金、银、铜、铬，或这些金属组成的合金。
优选地，加热电极材料可以为钛、氮化钛、氮化钽、镍铬合金等。
如图2所示，一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器芯片，包括位于最下方的衬底层18，中间的埋氧层19，薄膜铌酸锂，最上方的包层20以及本发明所述的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，所述基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器单片集成在薄膜铌酸锂上。
最下方的衬底层18优选硅、铌酸锂或者石英；薄膜铌酸锂优选为X切薄膜铌酸锂，光波导传输方向沿晶体的Y轴方向，GSG电极5的电场方向沿铌酸锂晶体Z轴方向，与主流的铌酸锂电光调制器保持一致，以便于该偏振分束器和铌酸锂电光调制器的单片集成；铌酸锂薄膜厚度优选300nm-1000nm；覆盖在器件上方的包层20折射率优选小于1.6，二氧化硅、氮氧化硅或空气均可作为包层。
一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法，包括以下步骤：
将包含TE模式和TM模式两个偏振态的输入光分成强度和相位都相同的两路光束，通过铌酸锂的电光效应和热光效应调控两路光束之间的相位差；
当TE模式的相位差满足
且TM模式的相位差满足
时，两个偏振态分离并分别从一路径独立输出；其中，m为自然数；
当TM模式的相位差满足
且TE模式的相位差满足
时，两个偏振态的输出路径切换。
具体地，还包括：监控偏振分离后的两路光束的偏振态，确定TE模式的光束和TM模式的光束是否已经完全分离。
本发明的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，能够实现TE和TM偏振态的的分离并且可以切换输出路径，另外能够根据需要动态调节工作波段。该结构易于与电光调制器单片集成，利用偏振复用技术扩展单通道的数据传输容量。本发明所述的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器制备方法与标准CMOS半导体制造工艺兼容，制作工艺成熟，具备大规模生产与应用的价值。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法，其特征在于，包括以下步骤：
将包含TE模式和TM模式两个偏振态的输入光分成强度和相位都相同的两路光束，通过铌酸锂的电光效应和热光效应调控两路光束之间的相位差；
当TE模式的相位差满足
且TM模式的相位差满足
时，两个偏振态分离并分别从一路径独立输出；其中，m为自然数；
当TM模式的相位差满足
且TE模式的相位差满足
时，两个偏振态的输出路径切换。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束方法，其特征在于，还包括步骤：监控偏振分离后的两路光束的偏振态，确定TE模式的光束和TM模式的光束是否已经完全分离。
3.一种实现权利要求1方法的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，其特征在于，包括：
输入波导(1)，用于光束输入；
1×2MMI(2)，用于将输入光分成强度和相位都相同的两路光；
两条铌酸锂波导臂(3，4)，用于传导1×2MMI(2)输出的两路光束；
GSG电极(5)和加热电极(6)，通过分别控制GSG电极(5)和加热电极(6)的电压使得两条铌酸锂波导臂(3，4)分别产生电光效应和热光效应，进而改变通过两条铌酸锂波导臂光束的相位差；其中，调节波导臂(3，4)两路光束的相位差满足TE模式的相位差为
且TM模式的相位差为
或者TM模式的相位差为
且TE模式的相位差为
m为自然数；
2×2MMI(7)，使经过GSG电极(5)和加热电极(6)相位调控后的两条铌酸锂波导臂的光束通过其后分为TE模式的光束和TM模式光束，并分别从其两个输出端口独立输出；
两条输出波导(8，9)，用于将经过2×2MMI(7)偏振分束的光分别从不同通道独立输出。
4.根据权利要求3所述的一种实现权利要求1方法的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，其特征在于，所述GSG电极(5)包括两条地电极和一条信号电极，其中两条地电极位于信号电极两边，两条铌酸锂波导臂穿插在信号电极和地电极之间；所述加热电极(6)位于任意一条铌酸锂波导臂旁边。
5.根据权利要求4所述的一种实现权利要求1方法的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，其特征在于，所述输入波导(1)、两条铌酸锂波导臂(3，4)、两条输出波导(8，9)为条形波导或脊形波导。
6.根据权利要求5所述的一种实现权利要求1方法的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，其特征在于，所述输入波导(1)、两条铌酸锂波导臂(3，4)、两条输出波导(8，9)为单模波导或多模波导。
7.根据权利要求6所述的一种实现权利要求1方法的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，其特征在于，还包括端口监视装置，用于监控偏振分离后的两路光束的偏振态，确定TE模式的光束和TM模式的光束是否已经在两条输出波导(8，9)中分离；所述端口监视装置包括：
两个定向耦合器(10，11)，与两条输出波导耦合，用于从中分出一部分光束；
两个光栅耦合器(12，13)，将两个定向耦合器中的分出的光束耦合进光纤中；
两个光纤偏振分束器(14，15)，用于将光纤中的光束的两个偏振态TE模式和TM模式分离；
两个光功率计(16，17)，分别监控偏振分离后两个偏振态的功率。
8.一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器芯片，其特征在于，包括位于最下方的衬底层(18)，中间的埋氧层(19)，薄膜铌酸锂，最上方的包层(20)以及权利要求4-6任意一项所述的一种实现权利要求1方法的基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器，所述基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器单片集成在薄膜铌酸锂上。
9.根据权利要求8所述的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器芯片，其特征在于，所述薄膜铌酸锂为X切薄膜铌酸锂，光波导传输方向沿晶体的Y轴方向。
10.根据权利要求9所述的一种基于薄膜铌酸锂的电控可调偏振分束器芯片，其特征在于，所述包层(20)的折射率小于1.6。
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Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114063212A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 上海安湃芯研科技有限公司 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
| CN114488579A (zh) * | 2022-02-21 | 2022-05-13 | 长春理工大学 | 相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器 |
| CN114740223A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-07-12 | 浙江大学 | 基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计 |
| CN115308837A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-11-08 | 浙江大学 | 一种基于相变材料-硅混合集成波导的片上起偏器 |
| CN116500814A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-28 | 之江实验室 | 基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片及方法 |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05313109A (ja) * | 1992-05-11 | 1993-11-26 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 導波路型偏波制御器 |
| JP2002156540A (ja) * | 2001-10-01 | 2002-05-31 | Nikon Corp | モードスプリッタ |
| US20040165808A1 (en) * | 2003-02-20 | 2004-08-26 | Institut National D'optique | Optical repolarizing devices |
| CN101131449A (zh) * | 2007-10-10 | 2008-02-27 | 天津大学 | 基于电光效应的高速光分插复用器 |
| WO2011051358A1 (en) * | 2009-10-28 | 2011-05-05 | Universiteit Gent | Methods and systems for reducing polarization dependent loss |
| CN110346950A (zh) * | 2019-06-06 | 2019-10-18 | 浙江大学 | 一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器 |
| CN110646884A (zh) * | 2019-07-09 | 2020-01-03 | 华中科技大学 | 一种具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器 |
| US20200064706A1 (en) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | Lumentum Technology Uk Limited | Modulator assembly |
| CN111736370A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-10-02 | 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 | 一种薄膜铌酸锂基集成芯片及制备方法 |
-
2021
- 2021-07-27 CN CN202110851409.4A patent/CN113534504B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05313109A (ja) * | 1992-05-11 | 1993-11-26 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 導波路型偏波制御器 |
| JP2002156540A (ja) * | 2001-10-01 | 2002-05-31 | Nikon Corp | モードスプリッタ |
| US20040165808A1 (en) * | 2003-02-20 | 2004-08-26 | Institut National D'optique | Optical repolarizing devices |
| CN101131449A (zh) * | 2007-10-10 | 2008-02-27 | 天津大学 | 基于电光效应的高速光分插复用器 |
| WO2011051358A1 (en) * | 2009-10-28 | 2011-05-05 | Universiteit Gent | Methods and systems for reducing polarization dependent loss |
| US20200064706A1 (en) * | 2018-08-24 | 2020-02-27 | Lumentum Technology Uk Limited | Modulator assembly |
| CN110346950A (zh) * | 2019-06-06 | 2019-10-18 | 浙江大学 | 一种基于交叉狭缝波导的电控去偏器 |
| CN110646884A (zh) * | 2019-07-09 | 2020-01-03 | 华中科技大学 | 一种具有大制作容差高偏振消光比的偏振分束器 |
| CN111736370A (zh) * | 2020-06-12 | 2020-10-02 | 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 | 一种薄膜铌酸锂基集成芯片及制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| R.C. ALFERNESS: ""Waveguide electrooptic switch arrays"" * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114063212A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 上海安湃芯研科技有限公司 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
| CN114063212B (zh) * | 2021-11-19 | 2023-11-21 | 武汉安湃光电有限公司 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
| CN114488579A (zh) * | 2022-02-21 | 2022-05-13 | 长春理工大学 | 相位-偏振联合调制钛酸钡晶体薄膜波导强度电光调制器 |
| CN114740223A (zh) * | 2022-03-28 | 2022-07-12 | 浙江大学 | 基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计 |
| CN114740223B (zh) * | 2022-03-28 | 2023-03-03 | 浙江大学 | 基于推挽式光子晶体拉链腔的单片集成三轴光学加速度计 |
| CN115308837A (zh) * | 2022-08-30 | 2022-11-08 | 浙江大学 | 一种基于相变材料-硅混合集成波导的片上起偏器 |
| CN116500814A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-28 | 之江实验室 | 基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片及方法 |
| CN116500814B (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-15 | 之江实验室 | 基于全光线性化的高线性硅基薄膜铌酸锂调制芯片及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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