CN116520493A - 一种基于薄膜铌酸锂的te模和tm模分离的偏振分束器芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光通信技术领域，公开了一种基于薄膜铌酸锂的TE和TM模分离的偏振分束器芯片，所述芯片结构包括上支路波导与下支路波导，所述上支路波导结构包括定向耦合区直波导、sin型输入和输出弯波导以及输入和输出直波导，所述下支路结构包括与上支路结构镜像对称的定向耦合区和输出区波导。与现有技术相比，本发明基于薄膜铌酸锂的芯片结构，可与量子秘钥分发系统中的其它器件一同兼容使用，便于实现量产化；使用的单模传输脊波导结构相比于条形波导结构设计，可以增强耦合区波导之间的光耦合，从而降低器件损耗；采用sin型波导分导光束，相对于90°弯波导可以大幅度减小尺寸，提高器件集成度；器件性能得到大幅提高，TE和TM消光比达到30db以上。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片。
背景技术
偏振分束器是一种能够将一束具有混合偏振态的光分成两束正交偏振光的光器件，是实现偏振复用系统、偏振分集系统中至关重要的偏振控制器件。目前常用偏振分束器大多为独立的单元器件，常配合离散光学光纤等器件使用。然而由于传统的离散型体光学元件器件尺寸大、系统稳定性差等诸多缺点，难以适应现代光电子技术的需求，因此在全光通信网络需求的推动下，从传统离散型体光学元件转向集成化光学元件的相关研究得到飞速发展。
当前集成环境对于相位编码量子密钥分发（QKD）系统越来越严苛的要求，该系统主要包括脉冲光激光器、强度调制器、高速调相器、偏振分束器、延时环等重要器件。为满足相位高速调制，QKD系统中的延时环长度往往需达到厘米量级，然而常见的集成芯片硅基波导的损耗典型值为2 dB/cm ,III-IV族材料的波导损耗典型值为1.5 dB/cm,上述材料均不满足QKD系统接收端低损耗要求。但是绝缘体上的薄膜铌酸锂材料（LNOI）波导传播损耗典型值为0.2 dB/cm，同单位距离下，相比前述材料可降低一个数量级。因此具有低损耗，高电光效应，稳定性高的LNOI材料成为了最佳选择方案。
目前，随着薄膜铌酸锂工艺技术的日益成熟，相关重要光子器件的研究也越来越被外界关注。然而基于LNOI的偏振分束器的只有少数被研究, 2017年第23-27页《OpticalCommunications》期刊公开了一种基于条形波导结构设计的LNOI的偏振分束器件，其最小线宽与最小间距尺寸均小于0.5um，不符合国内现有成熟工艺精度，无法与现有相位编码QKD系统中其它LNOI器件一同使用；其次根据TE和TM电场图可知，该结构无论上端口输入或者下端口输入混合光，总有一输入端口功能闲置未被充分利用，这不仅增加了结构的复杂性，而且造成输入输出端口不容易被区分。因此解决QKD系统中LNOI基光波导中的偏振问题对提高光子器件的性能和集成度意义非凡。
为此，本发明提出一种单输入端口的定向耦合型LNOI偏振分束器。该器件通过基于脊型波导结构的设计，合理拓宽了器件最小线宽与最小间距，除了符合现有工艺精度，还具有低损耗和高偏振消光比的特性。并且，该结构简单，制作成本低，为填补LNOI基相位编码QKD系统中的偏振分束器空白提供一种有效的技术途径。
发明内容
针对现有技术存在以上缺陷，本发明提出一种基于铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于薄膜铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片，所述偏振分束器芯片包括设置在铌酸锂基上的上支路波导与下支路波导，所述上支路波导包括上支路输入直波导、上支路输出直波导、上支路sin型输入弯波导、上支路sin型输出弯波导以及上支路定向耦合区直波导，所述下支路波导包括、下支路输出直波导、下支路sin型输出弯波导以及下支路定向耦合区直波导；所述上支路定向耦合区直波导的一端对应于与所述上支路sin型输入弯波导的一端连接，所述上支路定向耦合区直波导另一端对应与所述上支路sin型输出弯波导的一端连接；所述上支路sin型输入弯波导另外一端对应与所述上支路输入直波导连接，所述上支路sin型输出弯波导的另外一端对应与所述上支路输出直波导连接。所述下支路定向耦合区直波导右端与所述下支路sin型输出弯波导的一端连接，所述下支路sin型输出弯波导的另外一端对应与所述下支路输出直波导连接。
优选地，所述上支路与下支路波导均采用脊型光波导。
优选地，所述入射光中包括两种不同偏振的光为TE入射光与TM入射光，其中，TE入射光从上支路波导的上支路输入直波导传入，从下支路波导的下支路输出直波导传出，TM入射光沿从上支路波导的上支路输入直波导传入，从上支路波导的上支路输出直波导传出，两种不同偏振的光在两个支路定向耦合区内的光耦合长度满足 LC TM : LC TE＝(n+l):n，其中，n为正整数，l为奇数，LC TM和LC TE分别为两种不同偏振的光在定向耦合区光波导内的耦合长度。
优选地，所述两个支路定向耦合区的长度为L＝(n+l)* LC TM＝n* LC TE，L为所述定向耦合区的长度。
优选地，所述上支路输入直波导、上支路输出直波导、上支路sin型输入弯波导、上支路sin型输出弯波导、定向耦合区直波导以及下支路输出直波导、下支路sin型输出弯波、下支路定向耦合区直波导均为脊波导。
优选地，所述上支路输入直波导、上支路输出直波导、上支路sin型输入弯波导、上支路sin型输出弯波导、定向耦合区直波导以及下支路输出直波导、下支路sin型输出弯波、下支路定向耦合区直波导的材料均为电介质、半导体或有机物中的一种或多种。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
1、基于LNOI的芯片结构，能够配合LNOI基相位编码QKD系统中其它铌酸锂无源器件一同兼容使用，便于实现量产化；
2、使用的脊波导结构相比于条形波导结构设计，可在合理拓宽波导宽度基础上，保证中心波导只传输基模，从而降低器件损耗；
3、采用定向耦合结构设计LNOI偏振分束器，可以降低器件结构复杂性，易于实现紧凑型偏振分束器；
4、输入输出端口采用sin型波导分导光束，相对于90°弯波导可以大幅度减小尺寸，提高器件集成度；
5、器件性能得到大幅提高，TE和TM 消光比达到30db以上。
附图说明
图1为本发明基于铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片的结构示意图；
图2为本发明实施例提供不同脊波导宽度W对应的不同波导模式有效折射率和特殊宽度下不同偏振模式下的电场分布图；
图3为本发明实施例提供的耦合长度随缝宽Wg的变化示意图（n=2，l=1）；
图4为本发明实施例提供的Sin波导损耗随其横向长度Ls变化示意图；
图5为本发明实施例提供的消光比随耦合区域直波导长度L变化示意图；
图6为本发明实施例提供输入TE和TM偏振光得到的定向耦合区的电场幅度分布示意图。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，所述偏振分束器芯片包括设置在铌酸锂基上的上支路波导与下支路波导，所述上支路波导包括上支路输入直波导10、上支路输出直波导14、上支路sin型输入弯波导11、上支路sin型输出弯波导13以及上支路定向耦合区直波导12，所述下支路波导包括下支路输出直波导17、下支路sin型输出弯波导16以及下支路定向耦合区直波导15；所述上支路定向耦合区直波导12的一端对应于与所述上支路sin型输入弯波导11的一端连接，所述上支路定向耦合区直波导12另一端对应与所述上支路sin型输出弯波导13的一端连接；所述上支路sin型输入弯波导11另外一端对应与所述上支路输入直波导10连接，所述上支路sin型输出弯波导13的另外一端对应与所述上支路输出直波导14连接。所述下支路定向耦合区直波导15右端与所述下支路sin型输出弯波导16的一端连接，所述下支路sin型输出弯波导16的另外一端对应与所述下支路输出直波导17连接。所述上支路波导10、11、12、13、14与下支路波导15、16、17均采用脊型波导，其中脊波导宽度都为W；弯波导横向长度为Ls，纵向宽度为Ws；耦合区波导长度为L，间距为Wg；铌酸锂层整体厚度H为0.5um，浅刻蚀后剩余厚度Hs为0.25um，外包层为二氧化硅。具体地，本发明所提供的LNOI偏振分束器芯片是一种将一束混合TE和TM入射光分离，且具有低损耗和高消光比的量子光芯片。
本实施例中，以存在TE和TM这两种不同偏振的光为例，偏振分束器芯片具有上支路输入直波导10，输出波导分别为上支路输出直波导14、下支路输出直波导17。两种不同偏振的光经偏振分束器的光输入端输入至上支路定向耦合区直波导12后，入射光会在两个波导之间发生耦合，输入光由上支路定向耦合区直波导12逐渐耦合到相邻的下支路定向耦合区直波导15中去，实现光功率在波导中的重新分配，随着波导长度增大，这种现象会以一定周期持续发生。当输入光完全从一个波导耦合到相邻的波导中去，所经过的长度称为耦合长度Lc。因此当波导长度为耦合长度奇数倍时，光从交叉端输出，当波导长度为偶数倍时，光从直通端口输出。对于波导中的TE、TM模式，其耦合长度表达式为：LC TE=λ/(n0TE-n1TE)/2;LCTM=λ/(n0TM-n1TM)/2。其中n0TE、n1TE 、 n0TM 、n1TM 分别为两根光波导中的TE、TM模的偶对称和奇对称模的有效折射率。对于薄膜铌酸锂材料，其偶对称模和奇对称模具有不同的折射率，所以耦合长度不同，当耦合区中两个耦合波导满足L＝(n+l)* LC TM＝n* LC TE时，其中n为正整数，l为奇数，TE模和TM模一个模式发生奇数耦合，另一个模式发生偶数耦合，最终两个模式从不同的端口输出，实现偏振分离的目的。对于应用在量子器件中，除了实现偏振分离，更重要的是提高器件的性能，量子偏振分束器性能我们用参数消光比表示为： ERTE=10*log10(Po1/Po2), ERTM=10*log10(Po3/Po4),其中Po1 、Po2分别为TE模输入时，直通输出端口与另一端口的输出功率，其中Po3 、Po4 分别为TM模输入时，直通输出端口与另一端口的输出功率。
为了实现器件的功能，设计如图1所示，对偏振分束器尺寸W、Ls、L、Wg参数进行优化设计，基于有限差分法，如图2所示，得到（a）图不同波导宽度W对应的不同波导模式有效折射率neff，以及(b)，(c), (d)不同波导宽度w为条件下，不同模式的电场分布图。从（a）图中可以得到，当脊波导w <1um时，波导中只传播基模，符合单模条件，W≥1um时，波导中存在高阶模。但是脊波导宽度也不能太小，如图a所示，当波导宽度=200nm时，TE0模的电场大部分辐射到了包层中，导致波导损耗较大。如图(c)和(d)中TE1电场分布图对比可得，当宽度等于1um时，高阶模开始进入中心波导。综上结合实际工艺条件折中考虑，选取脊波导宽度为0.8um。
参见图3所示，在宽度0.8um条件下，设置波导间距0.3um到0.9um，得到耦合长度随波导缝宽Wg的变化曲线图，当n=2，l=1时，L=3*LC TE=2*LC TM曲线发生交叉，此时交叉点位置对应两个耦合区波导长度为238um，实现偏振分束功能。同理，研究了不同波导宽度下，耦合长度随波导缝宽的关系，结合实际工艺选取Wg=0.85um。
如图4所示，为了实现输出端口分离，以及降低波导之间的耦合以及耦合损耗，提高器件消光比，设计sin型弯曲波导。通过设置弯波导纵向距离Ws为2um，设置优化弯波导横向长度Ls，得到当Ls大于30um时，TE、TM弯波导损耗小于0.1dB。
在加入Sin弯道后，耦合区两端仍然靠的较近，输入光还是会发生微弱耦合，因此需要重新微调优化耦合区直波导L长度。如图5所示，分别设置H为0.5um，Hs为0.25um，W为0.8um，Wg为0.85um，Ws=2um，Ls为35um时，利用3D-FDTD进行光场传输仿真，得到消光比随耦合区域不同L长度变化示意图，TE最大消光比在L=218um处，TM最大消光比在L=235um处。为确保两种不同模式输入光都具有高的消光比，选择TE和TM 消光比大于30dB，此时耦合长度范围为225um 到 240um。如图6所示，当L=230um时，仿真得到的波导输入TE和TM模式光得到的定向耦合区的电场幅度分布示意图，从图中可以得到光束成功实现偏振分束。本设计具有器件尺寸小，损耗小，消光比高的特点，在集成光电子领域具有很高的应用价值。
综合本发明结构与原理可知，本发明提出基于薄膜铌酸锂的芯片结构，可与其它铌酸锂无源器件一同兼容使用，便于实现量产化；使用的脊波导结构相比于条形波导结构设计，可在合理拓宽波导宽度基础上，保证中心波导只传输基模，从而降低器件损耗；采用定向耦合结构设计LNOI偏振分束器，可以降低器件结构复杂性，易于实现紧凑型偏振分束器；输入输出端口采用sin型波导分导光束，相对于90°弯波导可以大幅度减小尺寸，提高器件集成度；器件性能得到大幅提高，TE和TM 消光比达到30db以上。
Claims (6)
1.一种基于薄膜铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片，其特征在于，所述偏振分束器芯片包括设置在铌酸锂基上的上支路波导与下支路波导，所述上支路波导包括上支路输入直波导、上支路输出直波导、上支路sin型输入弯波导、上支路sin型输出弯波导以及上支路定向耦合区直波导，所述下支路波导包括、下支路输出直波导、下支路sin型输出弯波导以及下支路定向耦合区直波导；所述上支路定向耦合区直波导的一端对应于与所述上支路sin型输入弯波导的一端连接，所述上支路定向耦合区直波导另一端对应与所述上支路sin型输出弯波导的一端连接；所述上支路sin型输入弯波导另外一端对应与所述上支路输入直波导连接，所述上支路sin型输出弯波导的另外一端对应与所述上支路输出直波导连接。所述下支路定向耦合区直波导右端与所述下支路sin型输出弯波导的一端连接，所述下支路sin型输出弯波导的另外一端对应与所述下支路输出直波导连接。
2.如权利要求1所述的基于薄膜铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片，其特征在于，所述上支路定向耦合区与下支路定向耦合区采用脊型光波导。
3.如权利要求1所述的基于铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片，其特征在于，所述入射光中包括两种不同偏振的光为TE入射光与TM入射光，其中，TE入射光从上支路波导的上支路输入直波导传入，从下支路波导的下支路输出直波导传出，TM入射光沿从上支路波导的上支路输入直波导传入，从上支路波导的上支路输出直波导传出，两种不同偏振的光在两个支路定向耦合区内的光耦合长度满足 LC TM: LC TE＝(n+l):n，其中，n为正整数，l为奇数，LC TM和LC TE分别为两种不同偏振的光在定向耦合区光波导内的耦合长度。
4.如权利要求3所述的基于铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片，其特征在于，所述两个支路定向耦合区的长度为L＝(n+l)* LC TM＝n*LC TE，L为所述定向耦合区的长度。
5.如权利要求1或2或3或4所述的基于铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片，其特征在于，所述上支路输入直波导、上支路输出直波导、上支路sin型输入弯波导、上支路sin型输出弯波导、定向耦合区直波导以及下支路输出直波导、下支路sin型输出弯波、下支路定向耦合区直波导均为脊波导。
6.如权利要求1或2或3或4所述的基于铌酸锂的TE模和TM模分离的偏振分束器芯片，其特征在于，所述上支路输入直波导、上支路输出直波导、上支路sin型输入弯波导、上支路sin型输出弯波导、定向耦合区直波导以及下支路输出直波导、下支路sin型输出弯波、下支路定向耦合区直波导的材料均为电介质、半导体或有机物中的一种或多种。
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- 2023-05-11 CN CN202310525328.4A patent/CN116520493A/zh active Pending
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