CN208537761U - 一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器 - Google Patents

Abstract

本实用新型针对基于铌酸锂退火质子交换波导的波导起偏器存在的插入损耗较高、光功率阈值较低的问题，并进一步提升此类器件的偏振消光比，本实用新型提出了一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，通过采用掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体实现器件光功率阈值的提升，并采用在掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体中制备反质子交换光学波导，实现波导插入损耗的降低。此外，本实用新型采用在掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体的背面开槽并涂覆光吸收物质的方法，达到进一步提升波导起偏器偏振消光比的目的。

Description

一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器

技术领域

本实用新型光纤传感、光纤通信、量子通信技术领域，特别是涉及一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器。

背景技术

起偏器可以将非偏振光束或低偏振度偏振光束转换成高偏振消光比光束，在偏振相关损耗测量系统、光纤传感系统、光纤通信系统等领域中有着广泛的应用。目前常见的光纤起偏器具有低插入损耗(典型值在0.5dB左右)、低回波损耗(典型值在50dB左右)、高光功率(500mW)等优势，但是其偏振消光比(典型值30dB)指标尚无法完全某些应用领域的使用需求，特别是对偏振消光比要求较高的应用场合。虽然采用更为精密的研磨和镀膜工艺可以加工出更高偏振消光比指标的光纤起偏器，但是也增加了器件制造难度和成本。

采用退火质子交换工艺制备的铌酸锂波导晶片具有天然的起偏功能(典型值在40～50dB)，而对铌酸锂波导晶片进行背面和侧边开槽并涂覆光吸收材料、晶片横截面镀金属膜等技术手段还可将铌酸锂退火质子交换波导晶片的偏振消光比进一步提升至80dB以上的水平。

但是，铌酸锂退火质子交换波导的插入损耗较高(2dB～3dB),和光纤起偏器相比有着较大的差距。这是因为退火质子交换波导的波导模式与光纤的波导模式存在着一定的模式不匹配，导致了较大的耦合损耗，而且铌酸锂波导的传输损耗也高于光纤的传输损耗。

此外，与光纤起偏器相比，铌酸锂退火质子交换波导晶片的光功率阈值较低(1550nm工作波长下在200mW左右)。这是因为，当输入光功率过大时，铌酸锂的光折变效应会引起光波导模式分布的畸变，导致光波导模式与光纤波导模式耦合损耗的大幅增加，引起器件插入损耗的迅速恶化。给铌酸锂晶片加温虽然可以一定程度上降低光折变效应对铌酸锂波导插入损耗的影响，但是温控元件的引入也大幅增加了器件的复杂性，给系统应用引起较多的麻烦。

实用新型内容

针对基于铌酸锂退火质子交换波导的波导起偏器存在的插入损耗较高、光功率阈值较低的问题，并进一步提升此类器件的偏振消光比，本实用新型提出一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，通过采用掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体实现器件光功率阈值的提升，并采用在掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体中制备反质子交换光学波导，实现波导插入损耗的降低。此外，本实用新型采用在掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体的背面开槽并涂覆光吸收物质的方法，达到进一步提升波导起偏器偏振消光比的目的。

为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，包括：铌酸锂晶片、光学波导、光纤套管、保偏光纤，所述铌酸锂晶片为光学级掺氧化镁铌酸锂晶体或光学级近化学计量比铌酸锂晶体；所述铌酸锂晶片的背面采用机械切割方式开有沟槽；所述光学波导为直条结构的铌酸锂反质子交换波导；所述光纤套管采用铌酸锂V型槽、铌酸锂U型槽、玻璃圆管、玻璃方管等形式中的任一种；所述保偏光纤为熊猫保偏光纤。

优选地，所述铌酸锂晶片的厚度为1mm至2mm，晶体切向为X切Y传或Z切Y传。

优选地，所述铌酸锂晶片背面的第一沟槽位于铌酸锂波导晶片总长度的1/2处，考虑到切槽后的铌酸锂晶片的机械应力和抗冲击性，所述第一沟槽的深度为0.3mm至0.5mm，并且所述第一沟槽的宽度为0.1mm至0.5mm。

优选地，所述铌酸锂晶片背面的第二沟槽和第三沟槽位于铌酸锂波导晶片总长度的1/4处和3/4处，所述第二沟槽和所述第三沟槽的深度比所述第一沟槽小0.1mm，即0.2mm至0.4mm，所述第二沟槽和所述第三沟槽的宽度均为0.1mm至0.5mm。

优选地，所述铌酸锂晶片背面的第一沟槽、第二沟槽和第三沟槽内涂覆有光吸收物质，如黑色硅胶、黑色墨水、黑色颜料等。

优选地，所述光学波导为直条结构的铌酸锂反质子交换波导，波导宽度在1μm至10μm；

优选地，光纤套管为玻璃圆管，采用石英玻璃材料，圆管外径为1.0mm至1.8mm，圆管内径为0.127mm±0.002mm。

优选地，所述保偏光纤的慢轴方向和光学波导的TM偏振模式方向对准。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)与同组分铌酸锂晶体相比，掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体有着更高的光损伤阈值，因此在掺氧化镁铌酸锂晶体或近化学计量比铌酸锂晶体中制备光学波导有利于提升铌酸锂波导起偏器的光功率阈值；

(2)与退火质子交换光学波导相比，反质子交换波导的光波导模式分布与光纤的光波导模式分布的重叠程度更高，耦合损耗更低，因此采用反质子交换波导制备的波导起偏器有利于降低器件的插入损耗；

(3)在铌酸锂晶片背面开槽并涂覆黑色光吸收物质，可以通过沟槽阻止并通过光吸收物质吸收在铌酸锂晶片内部传输的TE模式光波，以减少TE模式光波抵达输出端光纤的几率，有利于提升波导起偏器的偏振消光比。

附图说明

图1为现有技术的基于铌酸锂退火质子交换波导的、光纤耦合的起偏器立体示意图；

图2为现有技术的铌酸锂退火质子交换波导的光波导模式分布剖面图；

图3为现有技术的保偏光纤的光波导模式分布剖面图；

图4为本实用新型实施例所述反质子交换波导的光波导模式分布剖面图；

图5为本实用新型实施例所述铌酸锂晶片背面开有沟槽的、基于铌酸锂反质子交换波导的、光纤耦合的起偏器立体示意图。

图中，各个标记所对应的名称分别为：1.同组分铌酸锂晶片；2.退火质子交换光学波导；2-1.退火质子交换光学波导的波导模式分布；3.石英玻璃圆管；4.保偏光纤；4-1.保偏光纤的波导模式分布；5.掺氧化镁铌酸锂晶片；6.反质子交换光学波导；6-1.反质子交换光学波导的波导模式分布；7-1.第一沟槽；7-2.第二沟槽；7-3.第三沟槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1-图5所示，本实施例提供了一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，包括：铌酸锂晶片5、光学波导6、光纤套管3、保偏光纤4。铌酸锂晶片5为光学级掺氧化镁铌酸锂晶体5，晶体切向为X切Y传或Z切Y传。为保证铌酸锂晶片5与光纤套管3-1之间足够的耦合强度，铌酸锂晶片5厚度选择为1mm。

其中，铌酸锂晶片5的背面采用机械切割方式，如划片机或线切割机等，开有三条沟槽，分别位于铌酸锂晶片5背面的1/4、1/2、3/4处切槽，分别为第二沟槽7-2、第一沟槽7-1、第三沟槽7-3。考虑到切槽后的铌酸锂晶片的机械应力和抗冲击性，第一沟槽7-1的深度在0.3mm至0.5mm，第二沟槽7-2和第三沟槽7-3的深度比第一沟槽7-1小0.1mm，即0.2mm至0.4mm。第一沟槽7-1、第二沟槽7-2、第三沟槽7-3的宽度均为0.1mm至0.5mm。铌酸锂晶片5背面的第一沟槽7-1、第二沟槽7-2、第三沟槽7-3内涂有黑色光吸收物质，如黑色硅胶、黑色墨水、黑色颜料等。

光学波导6为直条结构的铌酸锂反质子交换波导，波导宽度在1μm至10μm。

光纤套管3采用玻璃圆管，圆管外径为1.0mm至1.8mm，圆管内径为0.127mm±0.002mm，玻璃圆管的材料为石英玻璃。

保偏光纤4为熊猫保偏光纤，保偏光纤4的慢轴方向和光学波导6的TM偏振模式方向对准。

相应地，本实施例提供了一种上述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：在铌酸锂晶片5表面，采用光刻、镀膜、剥离的加工工艺或镀膜、光刻、刻蚀与腐蚀的加工工艺，制作出直条波导图形的二氧化硅掩膜或金属掩膜，金属掩膜可采用铬膜或钛膜，二氧化硅掩膜或金属掩膜的厚度在100nm至500nm；

步骤2：将制作好直条波导掩膜图形的铌酸锂晶片5浸泡在盛有苯甲酸溶液或苯甲酸与苯甲酸锂混合溶液的高纯石英罐中，将石英罐放入高温电炉中，在150℃至250℃的温度条件下，稳定1小时至20小时，完成质子交换光学波导的制作；

步骤3：将已做完质子交换波导工艺的铌酸锂晶片5放入石英舟中，推入管式扩散炉，在300℃至400℃的温度条件下，稳定2小时至5小时，完成质子交换波导的退火处理；

步骤4：将做过退火处理的铌酸锂晶片5浸泡在盛有硝酸锂、硝酸钠、硝酸钾的混合溶液(摩尔百分比的比例为37.5:44.5:18.0)的高纯石英罐中，在320℃至340℃的温度条件下，稳定9小时至12小时，完成反质子交换光学波导6的制作；

步骤5：在铌酸锂晶片5的上表面涂上光刻胶或石英蜡以保护铌酸锂晶片5的表面，将铌酸锂晶片5倒置，使用线切割机或划片机在铌酸锂晶片5背面的1/4、1/2、3/4处切槽，分别为第二沟槽7-2、第一沟槽7-1、第三沟槽7-3，第一沟槽7-1的深度在0.3mm至0.5mm，第二沟槽7-2和第三沟槽7-3的深度比第一沟槽小0.1mm，第一沟槽7-1、第二沟槽7-2、第三沟槽7-3的宽度均为0.1mm至0.5mm；

步骤6：在铌酸锂晶片5背面的第一沟槽7-1、第二沟槽7-2、第三沟槽7-3内，涂上黑色光吸收物质，如黑色硅胶、黑色墨水、黑色颜料等。

步骤7：将穿有熊猫保偏光纤4的石英玻璃圆管3放在6维光纤调整架上，在调节好光学波导6与光纤4之间的相对位置后，在光学波导6的输入和输出端面点上紫外固化胶水，将石英玻璃圆管3粘牢，使用紫外灯照射，完成波导起偏器晶片的光纤耦合粘接工作。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，包括：铌酸锂晶片(5)、光学波导(6)以及光纤套管(3)、保偏光纤(4)，所述铌酸锂晶片(5)为光学级掺氧化镁铌酸锂晶体或光学级近化学计量比铌酸锂晶体；所述铌酸锂晶片(5)的背面采用机械切割方式开有沟槽；所述光学波导(6)为直条结构的铌酸锂反质子交换波导；所述光纤套管(3)采用铌酸锂V型槽、铌酸锂U型槽、玻璃圆管或玻璃方管中的任一种；所述保偏光纤(4)为熊猫保偏光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，所述铌酸锂晶片(5)的厚度为1mm至2mm，晶体切向为X切Y传或Z切Y传。

3.根据权利要求1所述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，所述铌酸锂晶片(5)背面的第一沟槽(7-1)位于铌酸锂波导晶片总长度的1/2处，所述第一沟槽的深度为0.3mm至0.5mm，并且所述第一沟槽的宽度为0.1mm至0.5mm。

4.根据权利要求3所述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，所述铌酸锂晶片(5)背面的第二沟槽(7-2)和第三沟槽(7-3)位于铌酸锂波导晶片总长度的1/4处和3/4处，所述第二沟槽(7-2)和所述第三沟槽(7-3)的深度比所述第一沟槽(7-1)小0.1mm，即0.2mm至0.4mm，所述第二沟槽(7-2)和所述第三沟槽(7-3)的宽度均为0.1mm至0.5mm。

5.根据权利要求1所述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，所述铌酸锂晶片(5)背面的第一沟槽(7-1)、第二沟槽(7-2)和第三沟槽(7-3)内涂覆有光吸收物质。

6.根据权利要求1所述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，所述光学波导(6)的波导宽度在1μm至10μm。

7.根据权利要求1所述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，光纤套管(3)为玻璃圆管，采用石英玻璃材料，圆管外径为1.0mm至1.8mm，圆管内径为0.127mm±0.002mm。

8.根据权利要求1所述的光纤耦合的高偏振消光比波导起偏器，其特征在于，所述保偏光纤(4)的慢轴方向和光学波导(6)的TM偏振模式方向对准。