[发明专利]一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器

说明书

本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器。本发明由1×2多模干涉耦合器、多段式相移器与2×2多模干涉耦合器依次级联构成马赫曾德尔干涉器结构。1×2多模干涉耦合器由第一锥状波导、第二锥状波导、第三锥状波导与多模波导构成。2×2多模干涉耦合器由第一锥状波导、第二锥状波导、第三锥状波导、第四锥状波导与多模波导构成。多段式相移器由第一干涉臂与第二干涉臂构成。第一干涉臂由第一连接波导、第一相移波导、第二连接波导、第二相移波导与第三连接波导依次连接。第二干涉臂由第四连接波导、第三相移波导、第五连接波导、第四相移波导与第六连接波导依次连接。本发明具有消光比高、损耗低、结构简单、设计简易、加工简便的特点。

技术领域

本发明具体涉及一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器，适用于光纤通信、片上光通信、光传感系统、量子光学系统中需要偏振分束、偏振合束、偏振滤波的应用场合。

背景技术

铌酸锂具有较强的电光效应、较强的非线性效应与较好的热稳定性，因此被广泛应用于电光调制器、波长转换器等集成光学器件。近年来，伴随着薄膜铌酸锂加工制备工艺的成熟，基于薄膜铌酸锂波导的超小型集成光学器件得以迅速发展。由于薄膜铌酸锂波导具有较高的折射率差与较小的模斑尺寸，使得这类波导具有较强的双折射特性，因此基于薄膜铌酸锂波导的集成光学器件大多具有较强的偏振相关性，并只能工作在单偏振条件下。因此，需要利用偏振分束器将输入信号中的不同偏振态分离，或将工作偏振之外的偏振态滤除。此外，薄膜铌酸锂波导具有较好的保偏特性，不同偏振态在传输过程不产生串扰。因此，对于光通信系统，可以将信号加载在不同偏振态上，并利用偏振分束器将信号合束，从而在不增加波长通道的情况下，将通道容量翻倍。对于光传感系统，由于不同偏振态对环境参量变化的敏感度不同，因此可以利用偏振分束器对多个环境参量同时进行监控。对于量子光学系统，可以利用偏振分束器实现不同偏振态之间的量子纠缠。

目前，集成型偏振分束器的设计思路大多基于不对称耦合器结构，通过调节耦合器的结构参数，使得一个偏振态满足相位匹配条件，同时另一偏振态则相位失配，从而将不同偏振态分离。然而，铌酸锂是一种各向异性材料，并且通常需要采用x切薄膜以保证最大的电光调制效率与波长转换效率，导致不同传输方向的薄膜铌酸锂波导通常具有不同的有效折射率，这极大地增加了不对称耦合器的设计难度。因此，需要一种新的技术方案，用于实现基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器。通过级联偏振不敏感的多模干涉耦合器与多段式相移器，并对相移器中薄膜铌酸锂波导的传输方向与传输长度进行调控，实现TE基模与TM基模在相移器中传输相位的独立控制，进而将输入光中的TE偏振态与TM偏振态分离。

本发明提出的基于薄膜铌酸锂波导的集成型偏振分束器由1×2多模干涉耦合器(I)、多段式相移器(II)、2×2多模干涉耦合器(III)依次级联构成马赫曾德尔干涉器结构。其中，输入波导(0)与1×2多模干涉耦合器(I)中的第一锥状波导(31)相连，1×2多模干涉耦合器(I)中的第二锥状波导(32)、第三锥状波导(33)分别与多段式相移器(II)中的第一连接波导(11)、第四连接波导(14)相连，多段式相移器(II)中第三连接波导(13)、第六连接波导(16)分别与2×2多模干涉耦合器(III)中的第一锥状波导(41)、第二锥状波导(42)相连，2×2多模干涉耦合器(III)中的第三锥状波导(43)、第四锥状波导(44)分别与第一输出波导(1)、第二输出波导(2)相连。多段式相移器(II)由两根干涉臂组成，其中第一连接波导(11)、第一相移波导(21)、第二连接波导(12)、第二相移波导(22)、第三连接波导(13)依次连接构成第一干涉臂(II-1)，第四连接波导(14)、第三相移波导(23)、第五连接波导(15)、第四相移波导(24)、第六连接波导(16)依次连接构成第二干涉臂(II-2)。