CN212009207U - 一种偏振模式转换器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种偏振模式转换器，包括基底晶片、光波导、金属电极、缓冲层薄膜、光纤晶体载块和保偏光纤；光波导形成于基底晶片的表面，且光波导为锌扩散光波导或氧化锌扩散光波导；金属电极放置于光波导的上方；缓冲层薄膜放置于基底晶片与金属电极之间；保偏光纤放置于光纤晶体载块中，并经由光纤晶体载块与光波导耦合连接，解决了现有技术中偏振模式转换器难以适用于激光光功率较高的领域的技术问题的技术问题，达到了具有更高的光损伤阈值，更适合应用于激光光功率高的光路系统以及近红外至可见光波段的光路系统，光波导的偏振相关损耗更低，正交偏振光波形成的干涉光的消光比或对比度更高的技术效果。

Description

一种偏振模式转换器

技术领域

本申请涉及量子光学和量子通信技术领域，尤其涉及一种偏振模式转换器。

背景技术

目前，基于电光晶体线性电光效应的偏振模式转换器具有很高的转换速度(10ns～100ns)，在基于光纤技术的光纤通信系统、光纤传感系统和量子技术中有着十分广泛的应用。近红外至可见光波段(例如600～1100nm)是量子信息存储、激光冷却与俘获、量子频标以及量子保密通信等领域广泛使用的光波波段，因此可工作于该波段的光纤偏振转换器对于光路系统的偏振控制有着重要的作用。

然而，在现有技术中，偏振模式转换器一般采用在铌酸锂晶体上制作基于光波导的相位调制器以实现正交偏振模式之间的相位延迟。目前铌酸锂晶体光波导的制备技术主要是钛扩散和质子交换，其中质子交换光波导由于只能传输一个偏振模式因而无法支持正交偏振态光波同时传输及相位延迟控制的功能。钛扩散光波导可以支持正交偏振模式的光波的同时传输，也是现有铌酸锂偏振模式转换器所采用的光波导。但是，采用钛扩散光波导的偏振模式转换器由于其较低的光损伤阈值(一般不超过100mW)，因此很难在激光光功率较高的领域得以应用。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：

1、采用钛扩散形成的钛扩散光波导的光损伤阈值低、偏振相关损耗高，导致现有的偏振模式转换器难以应用于激光光功率较高的领域；

2、采用质子交换形成的质子交换光波导只能传输一个偏振模式，无法支持正交偏振态光波的同时传输的功能。

实用新型内容

为了解决上述现有的偏振模式转换器难以适用于激光光功率较高的领域的技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本申请提供一种偏振模式转换器。

第一方面，本申请提供了一种偏振模式转换器，其特征在于，包括：基底晶片、光波导、金属电极、缓冲层薄膜、光纤晶体载块和保偏光纤；

所述光波导形成于所述基底晶片的表面，且所述光波导为锌扩散光波导或氧化锌扩散光波导；

所述金属电极放置于所述光波导的上方；

所述缓冲层薄膜放置于所述基底晶片与所述金属电极之间；

所述保偏光纤与所述光波导耦合连接。

可选的，所述保偏光纤的慢轴方向与所述基底晶片的光轴成45°对轴角度。

可选的，形成所述光波导的条形金属锌薄膜或条形氧化锌薄膜的宽度在1μm～20μm，薄膜厚度在10nm～300nm。

可选的，所述光波导为直条形状，所述光波导的输入端口和输出端口分别经由一个光纤晶体载块耦合连接一根所述保偏光纤。

可选的，所述光纤晶体载块上设有用于放置所述保偏光纤的光纤放置口，每一根所述保偏光纤和所述光纤放置口之间均填充有紫外胶水并使用紫外光曝光固化充分。

可选的，所述金属电极的构成方式为集总式结构或共面行波式结构。

可选的，对于集总式电极结构，所述金属电极包括第一电极分支和第二电极分支，且所述第一电极分支和所述第二电极分支分别放置于所述光波导上方的左右两侧。

可选的，对于共面行波式结构，所述金属电极包括放置于所述光波导的上方的信号电极和分别设置于所述信号电极左右两侧的接地电极。

可选的，所述金属电极包括铬-金双层金属或钛-金双层金属或铬-铂-金多层金属或钛-铂-金多层金属。

可选的，所述基底晶片为具有线性电光效应的光学晶体。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本申请实施例通过提供一种偏振模式转换器，采用锌扩散或氧化锌扩散光波导作为光波的导波结构，可以支持正交偏振模式的光波的同时传输且具有更高的光损伤阈值，更适合应用于激光光功率高的光路系统以及近红外至可见光波段的光路系统。此外，在采用锌扩散或氧化锌扩散形成的光波导中，TE偏振模式和TM偏振模式的光波模式分布的差异性更小，因此光波导的偏振相关损耗更低，正交偏振光波形成的干涉光的消光比或对比度更高。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种偏振模式转换器的结构示意图；

图2A为本申请实施例提供的仅于光波导上方放置缓冲层薄膜的偏振模式转换器剖视结构示意图；

图2B为本申请实施例提供的仅于金属电极与基底晶片之间放置有缓冲层薄膜金属的偏振模式转换器剖视结构示意图；

图2C为本申请实施例提供的基底晶片上方整个表面均放置缓冲层薄膜的偏振模式转换器剖视结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种采用集总式电极结构的金属电极结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种采用集总式电极结构的偏振模式转换器的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种采用行波式电极结构的金属电极的俯视图；

图6为本申请实施例提供的一种采用行波式电极结构的偏振模式转换器的结构示意图。

图标：

1、基底晶片；2、光波导；3、金属电极；31、第一电极分支；32、第二电极分支；33、信号电极；34、接地电极；4、缓冲层薄膜；5、保偏光纤；6、光纤晶体载块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

目前，基于电光晶体线性电光效应的偏振模式转换器具有很高的转换速度(10ns～100ns)，在基于光纤技术的光纤通信系统、光纤传感系统和量子技术中有着十分广泛的应用。近红外至可见光波段(例如600～1100nm)是量子信息存储、激光冷却与俘获、量子频标以及量子保密通信等领域广泛使用的光波波段，因此可工作于该波段的光纤偏振转换器对于光路系统的偏振控制有着重要的作用。

然而，在现有技术中，偏振模式转换器一般采用在铌酸锂晶体上制作基于光波导的相位调制器以实现正交偏振模式之间的相位延迟。目前铌酸锂晶体光波导的制备技术主要是钛扩散和质子交换，其中质子交换光波导由于只能传输一个偏振模式因而无法支持正交偏振态光波同时传输的功能。钛扩散光波导可以支持正交偏振模式的光波的同时传输，也是现有铌酸锂偏振模式转换器所采用的光波导。但是，采用钛扩散光波导的偏振模式转换器由于其较低的光损伤阈值(一般不超过100mW)，因此很难在激光光功率较高的领域得以应用，基于此，本申请实施例提供一种偏振模式转换器，可以支持正交偏振模式的光波的同时传输且具有更高的光损伤阈值，更适合应用于激光光功率高的光路系统以及近红外至可见光波段的光路系统。

为了便于理解，下面对本申请实施例提供的一种偏振模式转换器进行详细介绍，参见图1，偏振模式转换器可以包括基底晶片1、光波导2、金属电极3、缓冲层薄膜4和保偏光纤5；

光波导2形成于基底晶片1的表面，且光波导2为锌扩散光波导或氧化锌扩散光波导；

金属电极3放置于光波导2的上方；

缓冲层薄膜4放置于基底晶片1与金属电极3之间；

保偏光纤5与光波导2耦合连接。

这里，在本申请的一些具体实施例中，基底晶片1可以为具有线性电光效应的光学晶体，可以是具有单晶质量的光学级晶体，比如可采用铌酸锂、镁掺杂或氧化镁掺杂的铌酸锂、钽酸锂、磷酸氧钛钾等具有线性电光效应的晶体材料中的一种。这里，作为一个示例，基底晶片1的厚度可以在0.1mm～2.0mm。这里，作为一种优选实施方式，基底晶片1可以采用铌酸锂晶体材料，其晶片厚度可以为1.0mm以获得基底晶片1与光纤晶体载块5之间足够的耦合粘接面积和粘接强度。这里，作为另外一个示例，为减少光波导2端面的背向反射，所述基底晶片1可抛光成一定的倾斜角度，如0°～15°，这里，作为一种优选实施方式，基底晶片1可以抛光成5°～11°的倾斜角度。这里，在本申请的一些具体实施例中，在基底晶片1与金属电极3之间设置缓冲层薄膜4是为了防止金属电级3在电光调制过程中吸收光波导2中传输的光能量，避免造成光波传输过程中的损耗。

在本申请的一些具体实施例中，保偏光纤5的慢轴方向与基底晶片1的光轴成45°对轴角度，这样在保偏光纤5中传输的光波可以分解为正交的两个偏振态，分别与光波导2中的TE偏振模式或TM偏振模式耦合并在光波导2传输，通过金属电极的电光调制作用形成合适的相位延迟量后，在光波导2的输出端实现90°的偏振方向偏转，耦合进入保偏光纤5的快轴或慢轴。

在本申请的一些具体实施例中，形成光波导2的条形金属锌薄膜或条形氧化锌薄膜的宽度在1μm～20μm，薄膜厚度在10nm～300nm。

在本申请的一些具体实施例中，金属电极3包括铬-金双层金属或钛-金双层金属或铬-铂-金多层金属或钛-铂-金多层金属。

这里，金属电极3放置于光波导2的上方，用于对传输于光波导2中的光波进行相位调制及相位延迟量控制，这里，金属电级3可以是金薄膜，这里，为了提高金属电级3与基底晶片之间的附着性，在金薄膜和基底晶片之间还可以设有用于提高金属电级3稳定性的金属层，这里，金属电级3可以是在金薄膜朝向基底晶片的一面之下还设有铬金属薄膜或钛金属薄膜，形成双层金属结构，或者，在金薄膜朝向基底晶片的一面之下依次设有铂金属薄膜、铬金属薄膜形成多次金属结构，或者，在金薄膜朝向基底晶片的一面之下依次设有铂金属薄膜、钛金属薄膜形成多层金属结构。这里，作为一个示例，金属电极3中铬金属薄膜或钛金属薄膜的厚度可以在10nm～200nm，金薄膜的厚度在0.3μm～50μm。

这里，在本申请的一些具体实施例中，缓冲层薄膜4可以采用氧化硅、氧化铝、氧化镁等非金属材料薄膜中的其中一种，其厚度可以在10nm～500nm。缓冲层薄膜4的放置位置可以是下述几种方式中的其中一种或是其组合：

参见图2A，放置方式一：缓冲层薄膜4仅放置于光波导2的正上方，以隔开位于光波导2的正上方的金属电极3；

参见图2B，放置方式二：金属电极3与基底晶片1之间放置有缓冲层薄膜4；仅仅在基底晶片1与金属电极3之间接触的地方设置缓冲层薄膜4，基底晶片1上没有设置金属电极3的地方不放置缓冲层薄膜4。

参见图2C，放置方式三：基底晶片1的光波导2所在的表面整体地放置缓冲层薄膜4，缓冲层薄膜4铺满基底晶片1光波导2所在的表面。

在本申请的一些具体实施例中，光波导2为可以是直条形状，光波导2的输入端口和输出端口分别经由一个光纤晶体载块6耦合连接一根保偏光纤5。

这里，在本申请的一些具体实施例中，光纤晶体载块6上设有用于放置保偏光纤5的光纤放置口，每一根保偏光纤5和光纤放置口之间均填充有紫外胶水并使用紫外光曝光固化充分。

光纤晶体载块6主要可以用于放置保偏光纤5、增加保偏光纤5耦合时的粘接面积和粘接强度。光纤晶体载块6可以是表面预先制作有V形、方形、半圆形等其中一种形状的光纤放置口的方形或长方形晶体，或是在中心形成有圆孔形状的光纤放置口的圆形晶体或D形晶体，主要用于放置保偏光纤5、增加保偏光纤5耦合时的粘接面积和粘接强度。

这里，在本申请的一些具体实施例中，光纤晶体载块6可以采用铌酸锂、钽酸锂、石英、玻璃、硅等晶体材料，这里不做具体限制，作为一个优选实施方式，光纤晶体载块6可以采用铌酸锂晶体材料。这里，为获得与光波导2最佳的耦合效率，光纤晶体载块6也可以相应地抛光成一定倾斜角度，作为一种优选，光纤晶体载块6抛光成的倾斜角度可以为7°～16°。

这里，保偏光纤5可以放置于光纤晶体载块6的光纤放置口中，保偏光纤5和光纤放置口之间的空隙填充满紫外胶水并通过紫外光曝光以充分固化，经抛光后与光波导2进行耦合粘接连接。

对于不同晶体切向的基底晶片1，金属电极3的构成方式可以不同，在本申请的一些具体实施例中，金属电极3的构成方式可以为集总式结构或共面行波式结构。

其中，作为一个示例，对于晶体切向为X切或Y切的基底晶片1，金属电极3可以采用集总式结构；

对于晶体切向为Z切的基底晶片1，金属电极3采用共面行波式结构。

在本申请的一些具体实施例中，参见图3，对于集总式电极结构，金属电极3可以包括第一电极分支31和第二电极分支32，且第一电极分支31和第二电极分支32分别放置于光波导2上方的左右两侧。

这里，对于集总式电极结构，第一电极分支31和第二电极分支32可以相对称地放置于光波导2上方的左侧和右侧；采用集总式电极结构的偏振模式转换器的结构可以参见图4。

在本申请的一些具体实施例中，参见图5，对于共面行波式结构，金属电3极包括放置于光波导2的上方的信号电极33和分别设置于信号电极33左右两侧的接地电极34。

这里，对于共面行波式结构，金属电极3可以由信号电极33和分置于其左、右两侧的接地电极34组成，其中信号电极33可以放置于光波导2的正上方，接地电极34可以对称地放置于信号电极33的两侧。这里，采用共面行波式结构的偏振模式转换器的结构可以参见图6。

本申请实施例通过提供一种偏振模式转换器，采用锌扩散或氧化锌扩散光波导2作为光波的导波结构，可以支持正交偏振模式的光波的同时传输且具有更高的光损伤阈值，更适合应用于激光光功率高的光路系统以及近红外至可见光波段的光路系统。此外，在采用锌扩散或氧化锌扩散形成的光波导2中，TE偏振模式和TM偏振模式的光波模式分布的差异性更小，因此光波导2的偏振相关损耗更低，正交偏振光波形成的干涉光的消光比或对比度更高。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种偏振模式转换器，其特征在于，包括：基底晶片、光波导、金属电极、缓冲层薄膜和保偏光纤；

所述光波导形成于所述基底晶片的表面，且所述光波导为锌扩散光波导或氧化锌扩散光波导；

所述金属电极放置于所述光波导的上方；

所述缓冲层薄膜放置于所述基底晶片与所述金属电极之间；

所述保偏光纤与所述光波导耦合连接。

2.根据权利要求1所述的偏振模式转换器，其特征在于，所述保偏光纤的慢轴方向与所述基底晶片的光轴成45°对轴角度。

3.根据权利要求1所述的偏振模式转换器，其特征在于，所述光波导为直条形状，所述光波导的输入端口和输出端口分别经由一个光纤晶体载块耦合连接一根所述保偏光纤。

4.根据权利要求3所述的偏振模式转换器，其特征在于，形成所述光波导的条形金属锌薄膜或条形氧化锌薄膜的宽度在1μm～20μm，薄膜厚度在10nm～300nm。

5.根据权利要求4所述的偏振模式转换器，其特征在于，所述光纤晶体载块上设有用于放置所述保偏光纤的光纤放置口，每一根所述保偏光纤和所述光纤放置口之间均填充有紫外胶水并使用紫外光曝光固化充分。

6.根据权利要求1所述的偏振模式转换器，其特征在于，所述金属电极的构成方式为集总式结构或共面行波式结构。

7.根据权利要求6所述的偏振模式转换器，其特征在于，对于集总式电极结构，所述金属电极包括第一电极分支和第二电极分支，且所述第一电极分支和所述第二电极分支分别放置于所述光波导上方的左右两侧。

8.根据权利要求6所述的偏振模式转换器，其特征在于，对于共面行波式结构，所述金属电极包括放置于所述光波导的上方的信号电极和分别设置于所述信号电极左右两侧的接地电极。

9.根据权利要求1所述的偏振模式转换器，其特征在于，所述金属电极包括铬-金双层金属或钛-金双层金属或铬-铂-金多层金属或钛-铂-金多层金属。

10.根据权利根据权利要求1所述的偏振模式转换器，其特征在于，所述基底晶片为具有线性电光效应的光学晶体。

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