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的制作方法

本发明涉及光通信，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、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。

4、优选地，所述上支路与下支路波导均采用脊型光波导。

5、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 lctm : lcte＝(n+l):n，其中，n为正整数，l为奇数，lctm和lcte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。

6、优选地，所述两个支路定向耦合区的长度为l＝(n+l)* lctm＝n* lcte，l为所述定向耦合区的长度。

7、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。

8、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。

9、与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

10、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；

11、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；

12、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；

13、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；

14、5、器件性能得到大幅提高，te和tm 消光比达到30db以上。

技术特征：

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 lctm: lcte＝(n+l):n，其中，n为正整数，l为奇数，lctm和lcte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)* lctm＝n*lcte，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。

技术总结
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。

技术研发人员：徐涛,黄大骏,郑韶辉
受保护的技术使用者：浙江九州量子信息技术股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14