CN115752424A - 一种基于lnoi的光纤陀螺用片上起偏器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，在LNOI材料上依次设置输入波导、中间波导、输出波导，中间波导包括依次连通的N个偏振波导，N≥2，偏振波导为弯曲结构，相邻偏振波导弯曲方向相反、临近的两端面错位连接。本发明通过设计特定的波导结构在小尺寸LNOI芯片上实现物理起偏，满足光纤陀螺的偏振要求。

Description

一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器

技术领域

本发明属于集成光学芯片技术领域，具体涉及一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnac)效应的敏感载体角速度的传感器，具有无运动部件、启动时间快和精度覆盖范围广等优点，在航空、航天、航海和陆地精密导航、武器精密制导及自动控制等领域得到了广泛关注和应用。为了更好地满足惯性导航系统小型化、低成本的发展需求，下一代光纤陀螺迫切需要向小型化发展。光路体积占据光纤陀螺体积的70％以上，是实现小型化面临的首要挑战。基于集成光学技术的集成光学芯片可将多个光路器件或功能集成在mm量级及以下的芯片上，大幅缩减陀螺光路体积，为光纤陀螺光路小型化提供了一种可行的技术方案。

起偏器是干涉式闭环光纤陀螺光路的关键器件之一，传统光纤陀螺的起偏器是集成在多功能集成光学调制器(MIOC)中的。MIOC以双折射晶体铌酸锂为材料，通过质子交换或钛扩散工艺制作而成，TE模式光波按照波导结构传播，TM模式光波不满足传导条件、逐渐泄露，形成高偏振消光比的线偏振光。对于中低精度光纤陀螺，起偏器的偏振消光比应优于-30dB。

铌酸锂材料具有优异的电光特性，同时具有超宽的透明窗口，是实现光学器件的优异平台。MIOC器件是基于铌酸锂体材料(LN)实现，由于LN材料折射率差小，导致器件体积过大，且难以实现多器件的片上集成。铌酸锂薄膜材料(LNOI)折射率差大幅提高，是实现多器件片上集成的潜力平台，为光纤陀螺小型化提供了一种可行的技术方案。

基于LNOI实现分束/合束、相位调制、耦合等功能，但在起偏性能方面存在劣势，因此，需要设计一种基于特殊物理结构的片上起偏器。此外，如何通过简单的结构获得高偏振性能的片上LNOI起偏器是面临的另一个挑战。

发明内容

针对现有技术中铌酸锂薄膜材料LNOI起偏性能无法满足要求的技术问题，本发明提供了一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，通过设计特定的波导结构在小尺寸LNOI芯片上实现物理起偏，满足光纤陀螺的偏振要求。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，在LNOI材料上依次设置输入波导、中间波导、输出波导，所述中间波导包括依次连通的N个偏振波导，N≥2，所述偏振波导为弯曲结构，相邻偏振波导弯曲方向相反、临近的两端面错位连接。

进一步地，所述波导结构自上而下依次为上包层、芯层、埋氧层、衬底层，所述上包层为空气层；所述芯层为LN，厚度为200nm～700nm；所述埋氧层为SiO₂，厚度大于2μm；所述衬底层为Si，厚度大于700μm。

进一步地，所述输入波导与输出波导结构相同；相邻偏振波导沿波导宽度方向错位，错位尺寸小于偏振波导宽度的一半。

进一步地，所述输入波导、输出波导为直波导，所述输入波导和输出波导宽度不超过偏振波导宽度；所述输入波导和输出波导为脊波导或条型波导，所述中间波导为条型波导。

进一步地，所述输入波导、输出波导为耗散波导，所述输入波导、输出波导与中间波导的两个自由端外径对齐。

进一步地，所述输入波导和输出波导的宽度为[0.2,3.5]μm，所述偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，所述偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°。

进一步地，所述输入波导、输出波导包括耗散波导、和耗散波导两侧分别设置的吸收波导，所述耗散波导与中间波导的两个自由端外径对齐；所述输入波导和输出波导为脊波导，所述中间波导为条型波导。

进一步地，所述耗散波导、吸收波导宽度均小于1/3·W_m，W_m为偏振波导宽度；耗散波导和吸收波导之间间距大于4·W_d和2·W_a，W_a为吸收波导宽度，W_d为耗散波导宽度。

进一步地，所述输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w_d∈[0.2,0.8]μm，所述输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w_a∈[3.4,11.7]μm，所述耗散波导和吸收波导间距为D_i∈[1.9,6.7]μm，所述偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，所述偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°。

进一步地，所述起偏器所在的LNOI芯片上还集成有调制器。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)基于LNOI的起偏器，通过设计特殊的波导组合实现物理起偏，省去了质子交换或钛扩散等工艺步骤，并大幅缩减器件体积，为起偏器的小体积片上集成提供了可行的技术途径；

(2)现阶段技术在SOI难以实现高性能调制器，因此，基于SOI材料难以实现起偏器和调制器的单片集成；LNOI继承了LN具有的优异电光特性，可实现高性能调制器，而本发明所述的起偏器，在不改变LNOI材料特性的基础上，实现了起偏性能，使得起偏器和调制器在LNOI上单片集成的实现成为可能；

(3)本发明所述的起偏器是面向光纤陀螺应用的，SOI的折射率差大，器件尺寸非常小，导致输出光模场较小，与光纤的连接存在一定的难度，需要设计专门的耦合结构；本发明所述的起偏器基于LNOI实现，其折射率差介于LN和SOI之间，在兼具小尺寸的优点同时，输出光模场得到有效增加，更有利于实现与光纤的低损耗连接。

(4)本发明提出的起偏器结构简单，波导特征尺寸远大于现有制作工艺的最小线宽，器件制作工艺采用通用的半导体制作工艺，没有特殊的制作步骤，省去了质子交换和钛扩散等工艺，大幅缩减器件制备工序，制作工艺复杂度和难度降低，利于大批量、低成本制作。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施例1提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器简易构型的俯视图；

图2为本发明具体实施例2提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器完整构型的俯视图；

图3为本发明具体实施例3提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器(N＝3个偏振模块串连，简易构形，输入输出同侧)的示意俯视图；

图4为本发明具体实施例4提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器(N＝3个偏振模块串连，完整构形，输入输出同侧)的示意俯视图；

图5为本发明具体实施例5提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器(N＝4个偏振模块串连，简易构形，输入输出异侧)的示意俯视图；

图6为本发明具体实施例6提供的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器(N＝4个偏振模块串连，完整构形，输入输出异侧)的示意俯视图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。在下面的描述中，出于解释而非限制性的目的，阐述了具体细节，以帮助全面地理解本发明。然而，对本领域技术人员来说显而易见的是，也可以在脱离了这些具体细节的其它实施例中实践本发明。

在此需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的设备结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提供的一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，在LNOI材料上依次设置输入波导、中间波导、输出波导，中间波导包括依次连通的N个偏振波导，N≥2，偏振波导为弯曲结构，相邻偏振波导弯曲方向相反、临近的两端面错位连接。本发明相邻偏振波导错位连接对光波进行引导，防止光溢出，减小光损耗，保证有效模式的传输，通过设计输入波导、中间波导、输出波导的结构形式，保证光波的有效传输和起振，在小尺寸LNOI芯片上实现物理起偏，满足光纤陀螺的偏振要求。

进一步地，波导结构自上而下依次为上包层、芯层、埋氧层、衬底层，上包层为空气层，芯层为LN，厚度为200nm～700nm；埋氧层为SiO₂，厚度大于2μm；衬底层为Si，厚度大于700μm。

进一步地，输入波导与输出波导结构相同；相邻偏振波导沿波导宽度方向错位，错位尺寸小于偏振波导宽度的一半。

进一步地，输入波导、输出波导为直波导，输入波导和输出波导宽度不超过偏振波导宽度。

进一步地，输入波导、输出波导为耗散波导，输入波导、输出波导与中间波导的两个自由端外径对齐。通过输入波导、输出波导与中间波导的两个自由端外径对齐，引导光入射，减小光损耗。

进一步地，输入波导和输出波导的宽度为[0.2,3.5]μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°。

进一步地，输入波导和输出波导为脊波导或条型波导，中间波导为条型波导。

进一步地，输入波导、输出波导包括耗散波导、和耗散波导两侧分别设置的吸收波导，耗散波导与中间波导的两个自由端外径对齐。通过耗散波导与中间波导的两个自由端外径对齐，引导光入射，减小光损耗。

进一步地，耗散波导、吸收波导宽度均小于1/3·W_m，W_m为偏振波导宽度；耗散波导和吸收波导之间间距大于4·W_d和2·W_a，W_a为吸收波导宽度，W_d为耗散波导宽度。

进一步地，输入波导和输出波导为脊波导，中间波导为条型波导。

进一步地，输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w_d∈[0.2,0.8]μm，输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w_a∈[3.4,11.7]μm，耗散波导和吸收波导间距为D_i∈[1.9,6.7]μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°。

进一步地，上述起偏器所在的LNOI芯片上还集成有调制器。

本发明提出的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，包括输入波导、中间波导和输出波导，输入波导和输出波导可以位于同侧或异侧。输入波导为特定形式的直波导，中间波导由N个弯曲波导和错位波导组成，输出波导为特定形式的直波导。输入波导与输出波导形式相同，根据实际应用需求不同选择不同的实现形式。

在完整形式下，输入波导、输出波导、中间波导均具有起偏、偏振性能，输入波导和输出波导均由耗散波导和吸收波导组成；输入波导和输出波导基于脊波导实现，中间波导基于条型波导实现。

在简易形式下，仅中间波导具有起偏、偏振特性，输入波导和输出波导仅由传输波导组成；输入波导和输出波导可基于脊波导或条型波导实现，中间波导基于条型波导实现。

中间波导具有模块化级联特性，可通过增减偏振波导个数N满足陀螺对偏振性能的不同要求，个数与偏振性能成正比关系。输入波导和输出波导，具有偏振和非偏振两种实现形式。当为偏振形式时，可通过增长或缩短波导长度满足陀螺对偏振性能的不同要求，长度与偏振性能成正比关系。当输入波导和输出波导为普通直波导时，为非偏振形式。起偏器的内部连接形式：输入波导与第1个偏振波导相连，第N个偏振波导与输出波导相连，不同偏振波导之间按顺序依次首尾相连。

起偏器基于条型波导结构实现，自上而下依次为：上包层、芯层、埋氧层、衬底层。上包层为空气层；芯层为LN层，厚度为n_LN；埋氧层为SiO₂层，厚度为n_SiO2；衬底层为Si层，厚度为n_sub-Si。在偏振形式下，所述的输入波导和输出波导的耗散波导宽度为W_d，输入波导和输出波导的吸收波导宽度为W_a，W_d＜1/3·W_m，耗散波导和吸收之间间距为D_i，D_i＞4·W_d且D_i＞2·W_a，中间波导中偏振波导的弯曲半径为R，宽度为W_m，覆盖角度为θ，偏振波导的个数为N，输入波导的耗散波导与第1个偏振波导的外径平齐，输出波导的耗散波导与第N个偏振波导的外径平齐，偏振波导之间的偏移为D_p，且D_p＜1/2·W_m。在非偏振形式下，所述的输入波导宽度为W_i，输出波导宽度为W_o，中间波导中偏振波导的弯曲半径为R，宽度为W_m，覆盖角度为θ，偏振波导的个数为N，输入波导与第1个偏振波导的外径平齐，输出波导与第N个偏振波导的外径平齐，偏振波导之间的偏移为D_p，D_p＜1/2·W_m。

起偏器的工作原理：偏振波导造成不同模式的等效折射率不同，引起传输模式产生散射损耗、辐射损耗及模式失配损耗等，进一步分化模式传播速率。单个偏振波导能够获得一定的起偏效果，但其性能无法满足陀螺的应用需求。特定宽高比的耗散波导对不同模式的传输光波具有不同的传播常数，通过特定设计针对性地衰减特定模式。通过设置吸收波导吸收泄露光波并快速耗散光强。关于具体的参数设计，本发明提供的起偏器的各参数可通过对波导的频域仿真和参数扫描时域仿真确定，以下此类的具体的参数设计方法在此不作赘述。

在完整形式下，光波首先经过输入波导，耗散波导对特定模式进行衰减，对光波进行起偏，起偏光进入中间波导的第1偏振波导，在弯曲波导处发生双折射，TE和TM模式的有效折射率不同导致传输受限条件不同，TE模式受到较强的限制，而TM模式所受限制骤减。因此，TE模式可保持低损耗传输，而TM模式发生泄漏。通过N个偏振波导后，TM模式得到大幅衰减，输出波导处的耗散波导可进一步衰减TM模式，最终输出高偏振消光比的线偏振光，以满足中低精度光纤陀螺对偏振性能的应用需求。

在简易形式下，光波首先经过输入波导，其中的传输波导仅对光波的传输方向提供引导作用，光波进入中间波导的第1偏振波导，在弯曲波导处发生双折射，TE和TM模式的有效折射率不同导致传输受限条件不同，TE模式受到较强的限制，而TM模式所受限制骤减。因此，TE模式可保持低损耗传输，而TM模式发生泄漏。通过N个偏振波导后，TM模式得到大幅衰减，输出波导输出高偏振消光比的线偏振光，以满足中低精度光纤陀螺对偏振性能的应用需求。

本发明所示的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其波导结构为：波导芯层、上包层、埋氧层和衬底层，波导结构为标准的LNOI结构。

根据本发明的一种实施例，波导芯层材料为LN，厚度为200nm～700nm；上包层为空气；埋氧层材料为二氧化硅，厚度大于2μm；衬底层材料为硅，厚度大于700μm。

本发明提出的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，包括输入波导10、中间波导11、输出波导12。其中，中间波导的偏振波导111具有模块化串连特性，可根据陀螺对偏振性能的不同要求，增减偏振波导数量N，偏振波导之间按照“依次首尾串连”的方式实现连接。

本发明中，波导宽度指的是指垂直波导延伸方向、平行于衬底层方向的波导尺寸。

实施例一：

如图1所示，该实施例是简易形式的基本构型，起偏器由输入波导10、中间波导11、输出波导12组成。所述的起偏器为简易形式，即输入波导和输出波导均为直波导，直波导可为普通直波导，也可为耗散波导，耗散波导具有起偏作用，可以提高偏振性能；所述的中间波导为N个偏振波导111结构，邻近偏振波导之间由错位波导112相连，错位波导112指两个偏振波导的对接面沿宽度方向错位，使得二者的连通面积减小。输入波导和输出波导可基于脊波导或条型波导实现，中间波导基于条型波导实现。输入波导和输出波导的宽度为w_o∈[0.2,3.5]μm，即输入波导和输出波导宽度的取值范围为0.3到2.5μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，即偏振波导宽度的取值范围为0.5到3.5μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，即偏振波导半径的取值范围为2.5到57.7μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°，即偏振波导覆盖角度的取值范围为60°到270°。输入波导与第一个偏振波导输入端的外径平齐(即输入波导10输出端平面与偏振报道111的输入端平面对接，且输入波导10一侧边与偏振报道111输入端的外径切线重叠)，输出波导与最后一个偏振波导输出端的外径平齐(即输出波导12输入端平面与第二偏振报道的输出端平面对接，且输出波导12一侧边与第二偏振报道输出端的外径切线重叠)。当N为奇数时，输入波导和输出波导在中间波导同侧；当N为偶数时，输入波导和输出波导在中间波导异侧。如图2所示的基本构型，输入波导和输出波导在中间波导异侧。

根据本发明的一种实施例，依照上述波导结构，起偏器可对输入光波的不同偏振态进行差异化限制，大幅衰减TM模式，保持TE模式的低损耗传输，从而实现高偏振消光比的线偏振光。根据本发明的一种实施例，起偏器的偏振消光比可达-15dB～-25dB。

实施例二：

如图2所示，该实施例是完整形式的基本构型，起偏器由输入波导10、中间波导11、输出波导12组成。所述的起偏器为完整形式，即输入波导和输出波导均由耗散波导和吸收波导组成，所述的中间波导为N个弯曲波导结构，邻近偏振波导之间由错位波导相连。输入波导和输出波导基于脊波导实现，中间波导基于条型波导实现。输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w_d∈[0.2,0.8]μm，即输入波导和输出波导的耗散波导宽度的取值范围为0.2到0.8μm，输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w_a∈[3.4,11.7]μm，即输入波导和输出波导的吸收波导宽度为3.4到11.7μm，耗散波导和吸收波导间距为D_i∈[1.9,6.7]μm，即耗散波导和吸收波导的间距为1.9到6.7μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，即偏振波导宽度的取值范围为0.5到3.5μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，即偏振波导半径的取值范围为2.5到57.7μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°，即偏振波导覆盖角度的取值范围为60°到270°。输入波导与第一个偏振波导输入端的外径平齐，输出波导与最后一个偏振波导输出端的外径平齐。当N为奇数时，输入波导和输出波导在中间波导同侧；当N为偶数时，输入波导和输出波导在中间波导侧侧。如图2所示的基本构型，输入波导和输出波导在中间波导异侧。

根据本发明的一种实施例，依照上述波导结构，起偏器可对输入的光信号不同偏振态进行差异化限制，大幅衰减TM模式，保持TE模式的低损耗传输，从而实现高偏振消光比的线偏振光。根据本发明的一种实施例，起偏器的偏振消光比优于-23dB。

实施例三：

如图3所示，该实施例是简易形式的升级构型，起偏器由输入波导10、中间波导11、输出波导12组成。所述的起偏器为简易形式，即输入波导10和输出波导12均为直波导，直波导可为普通直波导，也可为耗散波导，所述的中间波导11为弯曲波导(1111、1112、1113)结构，邻近偏振波导之间由错位波导(1121、1122)相连。输入波导和输出波导可基于脊波导或条型波导实现，中间波导基于条型波导实现。输入波导和输出波导的宽度为w_o∈[0.2,3.5]μm，即输入波导和输出波导宽度的取值范围为0.3到2.5μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，即偏振波导宽度的取值范围为0.5到3.5μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，即偏振波导半径的取值范围为2.5到57.7μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°，即偏振波导覆盖角度的取值范围为60°到270°。输入波导与第一个偏振波导1113输入端的外径平齐，输出波导与最后一个偏振波导1111输出端的外径平齐。该实例中N为奇数，输入波导和输出波导在中间波导异侧，N可为3、5、7、9…。起偏器可获得至少-40dB的偏振消光比输出光波。

实施例四：

如图4所示，该实施例是完整形式的升级构型，起偏器由输入波导10、中间波导11、输出波导12组成。所述的起偏器为完整形式，即输入波导10和输出波导12均由耗散波导(101、121)和吸收波导(102、103、122、123)组成，所述的中间波导11为弯曲波导(1111、1112、1113)结构，邻近偏振波导之间由错位波导(1121、1122)相连。输入波导和输出波导基于脊波导实现，中间波导基于条型波导实现。输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w_d∈[0.2,0.8]μm，即输入波导和输出波导的耗散波导宽度的取值范围为0.2到0.8μm，输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w_a∈[3.4,11.7]μm，即输入波导和输出波导的吸收波导宽度为3.4到11.7μm，耗散波导和吸收波导间距为D_i∈[1.9,6.7]μm，即耗散波导和吸收波导的间距为1.9到6.7μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，即偏振波导宽度的取值范围为0.5到3.5μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，即偏振波导半径的取值范围为2.5到57.7μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°，即偏振波导覆盖角度的取值范围为60°到270°。输入波导10与第一个偏振波导1113输入端的外径平齐，输出波导12与最后一个偏振波导1111输出端的外径平齐。该实例中N为奇数，输入波导和输出波导在中间波导同侧，N可为3、5、7、9…。起偏器可获得至少-40dB的偏振消光比输出光波。

实施例五：

如图5所示，该实施例是简易形式的升级构型，起偏器由输入波导10、中间波导11、输出波导12组成。所述的起偏器为简易形式，即输入波导10和输出波导12均为直波导，直波导可为普通直波导，也可为耗散波导，所述的中间波导11为弯曲波导(1111、1112、1113、1114)结构，邻近偏振波导之间由错位波导(1121、1122、1123)相连。输入波导和输出波导可基于脊波导或条型波导实现，中间波导基于条型波导实现。输入波导和输出波导的宽度为w_o∈[0.2,3.5]μm，即输入波导和输出波导宽度的取值范围为0.3到2.5μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，即偏振波导宽度的取值范围为0.5到3.5μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，即偏振波导半径的取值范围为2.5到57.7μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°，即偏振波导覆盖角度的取值范围为60°到270°。输入波导10与偏振波导1114输入端的外径平齐，输出波导12与偏振波导1111输出端的外径平齐。该实例中N为偶数，输入波导和输出波导在中间波导异侧，N可为2、4、6、8…。起偏器可获得至少-40dB的偏振消光比输出光波。

实施例六：

如图6所示，该实施例是完整形式的升级构型，起偏器由输入波导10、中间波导11、输出波导12组成。所述的起偏器为完整形式，即输入波导10和输出波导12均由耗散波导(101、121)和吸收波导(102、103、122、123)组成，所述的中间波导11为弯曲波导(1111、1112、1113、1114)结构，邻近偏振波导之间由错位波导(1121、1122、1123)相连。输入波导和输出波导基于脊波导实现，中间波导基于条型波导实现。输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w_d∈[0.3,0.7]μm，即输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w_d∈[0.2,0.8]μm，即输入波导和输出波导的耗散波导宽度的取值范围为0.2到0.8μm，输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w_a∈[3.4,11.7]μm，即输入波导和输出波导的吸收波导宽度为3.4到11.7μm，耗散波导和吸收波导间距为D_i∈[1.9,6.7]μm，即耗散波导和吸收波导的间距为1.9到6.7μm，偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，即偏振波导宽度的取值范围为0.5到3.5μm，偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，即偏振波导半径的取值范围为2.5到57.7μm，偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°，即偏振波导覆盖角度的取值范围为60°到270°。输入波导与偏振波导1114输入端的外径平齐，输出波导与偏振波导1111输出端的外径平齐。该实例中N为偶数，输入波导和输出波导在中间波导异侧，N可为2、4、6、8…。起偏器可获得至少-40dB的偏振消光比输出光波。

本发明提供了一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，通过设计特定的波导结构在小尺寸LNOI芯片上实现物理起偏，满足光纤陀螺的偏振要求；同时，器件特征尺寸大，对加工工艺要求不高，有利于降低成本，提高器件成品率。此外，本发明的实现有利于实现起偏器和相位调制器的单片集成。

如上针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，和/或与其它实施例中的特征相结合或替代其它实施例中的特征使用。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤、组件或其组合的存在或附加。

这些实施例的许多特征和优点根据该详细描述是清楚的，因此所附权利要求旨在覆盖这些实施例的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施例限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，在LNOI材料上依次设置输入波导、中间波导、输出波导，所述中间波导包括依次连通的N个偏振波导，N≥2，所述偏振波导为弯曲结构，相邻偏振波导弯曲方向相反、临近的两端面错位连接。

2.根据权利要求1所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述波导结构自上而下依次为上包层、芯层、埋氧层、衬底层，所述上包层为空气层；所述芯层为LN，厚度为200nm～700nm；所述埋氧层为SiO₂，厚度大于2μm；所述衬底层为Si，厚度大于700μm。

3.根据权利要求1所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导与输出波导结构相同；相邻偏振波导沿波导宽度方向错位，错位尺寸小于偏振波导宽度的一半。

4.根据权利要求1或3所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导、输出波导为直波导，所述输入波导和输出波导宽度不超过偏振波导宽度；所述输入波导和输出波导为脊波导或条型波导，所述中间波导为条型波导。

5.根据权利要求4所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导、输出波导为耗散波导，所述输入波导、输出波导与中间波导的两个自由端外径对齐。

6.根据权利要求5所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导和输出波导的宽度为[0.2,3.5]μm，所述偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，所述偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°。

7.根据权利要求1或3所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导、输出波导包括耗散波导、和耗散波导两侧分别设置的吸收波导，所述耗散波导与中间波导的两个自由端外径对齐；所述输入波导和输出波导为脊波导，所述中间波导为条型波导。

8.根据权利要求7所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述耗散波导、吸收波导宽度均小于13·W_m，W_m为偏振波导宽度；耗散波导和吸收波导之间间距大于4·W_d和2·W_a，W_a为吸收波导宽度，W_d为耗散波导宽度。

9.根据权利要求7所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述输入波导和输出波导的耗散波导宽度为w_d∈[0.2,0.8]μm，所述输入波导和输出波导的吸收波导宽度为w_a∈[3.4,11.7]μm，所述耗散波导和吸收波导间距为D_i∈[1.9,6.7]μm，所述偏振波导宽度为w_m∈[0.5,3.5]μm，所述偏振波导半径为R∈[2.5,57.7]μm，所述偏振波导覆盖角度为θ∈[60,270]°。

10.根据权利要求1～9任一项所述的基于LNOI的光纤陀螺用片上起偏器，其特征在于，所述起偏器所在的LNOI芯片上还集成有调制器。

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