[发明专利]一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器

说明书

本申请提供一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，包括：波导层、波导保护层、硅基底；波导层包括：质子交换波导、MMI、过渡波导，它们集成于同一铌酸锂薄膜芯片上；过渡波导为双层锥形结构，满足绝热传输条件，用于质子交换波导与MMI的耦合；MMI包括：输入波导单元、多模干涉区、输出波导单元；与多模干涉区连接的输入输出波导均采用锥形结构，满足绝热传输条件；本发明解决了质子交换光波导与MMI之间的高效耦合的问题，并实现起偏分束的功能。

技术领域

本申请涉及光电技术领域，具体涉及一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器

背景技术

铌酸锂薄膜光波导具有传统铌酸锂波导高电光系数、声光系数、良好的非线性效应，可实现高集成化集成光路，因而成为最有前景的光电子器件平台。在诸多光学功能中，分束合束和起偏是集成光电子平台最基础的两个功能。为实现分束合束功能，通常采用基于铌酸锂脊波导的多模干涉耦合器(MMI)，它具有波长不敏感，器件结构小，工艺容差性大，损耗小等诸多优势。通过特定结构的设计也可实现光束的起偏功能，把波导中的TE和TM光分开。但是仅仅靠MMI结构要同时实现分束和起偏功能，会导致设计复杂化，且功能间彼此影响，导致单一指标的降低。例如现有MMI实现的起偏作用的偏振消光比仅能达到20-25dB左右，具有很高的偏振噪声，这严重影响器件的性能，从而影响整个光集成模块的光路质量。

而传统的质子交换工艺制备的铌酸锂光波导天然地只支持TE或TM模式的传输，能实现很高的偏振消光比指标，通常可达30-50dB。此外，质子交换制备的光波导通常为扩散型光波导，与铌酸锂基形成较小的折射率差，从而光场在波导内传输时的模式尺寸较大。模场大易于与外部光纤耦合，但难以实现光器件的大规模集成。相比于质子交换波导，脊波导可以有效的减小弯曲损耗，提高了光学器件的集成度，不仅减小了光学模式的尺寸，还有效降低了铌酸锂电光调制器的半波电压。因此本专利提出将质子交换波导与脊波导同时实现在同一平台的方案，能够发挥两者各自的优势，从而提高铌酸锂芯片光路传输效率和功能指标。

然而，由于波导尺寸的不同，质子交换波导与铌酸锂薄膜脊波导之间难以进行高效的耦合。铌酸锂薄膜脊波导的模场面积通常不超过1um²，质子交换波导的模场面积是脊波导模场面积的3-4倍。在直接对接耦合时，会产生非常大的耦合损耗，采用何种方式实现二者之间的高效耦合是保证光束传输质量的关键问题。目前对于模斑转换的研究仅局限于光纤与波导之间，对于片上质子交换波导与脊波导之间光束的高效传输是亟待解决的问题。

发明内容

本申请解决的问题是质子交换光波导与MMI之间的高效耦合，既实现高标准的起偏功能，又具备了高效的分束能力，有利于集成化铌酸锂薄膜波导器件的大规模应用。

本发明经过大量仿真计算等验证工作，最终获得了下述结构方案：

如图1所示，一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，包括：

硅基底101、波导保护层102、104、波导层103；

如图2所示，所述波导层103包括质子交换波导1031、MMI、过渡波导1032、1033；

所述波导层103集成于同一铌酸锂薄膜芯片上；

所述波导保护层包括波导层的下包层102与上包层104；

优选地，所述波导保护层102、104为氧化硅层。

优选地，所述质子交换波导1031通过气相质子交换方法制备。

优选地，所述MMI为1×2MMI,其成像原理基于多模波导的自映像效应；