一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器

本发明涉及透明集成光子芯片以及量子通信等领域，特别涉及一种宽工作带宽的、高消光比的偏分复用器的设计。

背景技术：

1、相比于集成电路，光子集成芯片因其宽带宽、低损耗和低延时等优势，在光通信、量子信息和光存储等科技前沿领域拥有广泛应用。然而，光信号的偏振串扰、偏振色散等偏振相关问题始终是限制光子集成芯片进一步发展的主要障碍之一。例如，光信号在有偏振的情况下通过无源器件引起的功率值变化，会在光纤链路传输中被放大，造成巨大的损耗，即偏振相关损耗；偏振相关波长偏移会影响波分复用器件中通道的中心波长及信道间隔；偏振模式色散则会对光子集成芯片中的数据传输距离和效率产生负面影响。此外，在非线性光学领域，偏振模式的相位匹配也会影响非线性光子集成器件的工作性能。因此，具有偏振控制功能的片上集成光学元件，如偏振器、偏振旋转器(prs)和偏振分束器(pbss)，在光子集成芯片中发挥着调节偏振状态的重要作用。

2、片上集成起偏器作为偏振滤波器，可实现偏振串扰的最小化，被广泛应用于光子集成芯片。为了实现具有高偏振消光比(per)的宽带宽片上集成起偏器，多种实验方案被研究和提出。最常用的方法是通过设计具有强偏振相关损耗的特定波导结构，吸收、反射或泄漏不需要的偏振模式，从而实现单偏振模式的输出。早期提出的采用浅刻蚀脊形光波导的片上集成起偏器的尺寸约为1mm，不适用于高密度集成光子芯片。因此，提出了具有混合等离子体结构的紧凑型硅基起偏器，以减少器件的占用空间，但是，由于金属的光吸收作用而增加了插入损耗(ils)。虽然使用二维材料可以实现低损耗起偏器。但是，石墨烯基材料结构与大规模制造的coms工艺不相容。为了实现高偏振消光比、低损耗和宽工作带宽的起偏器，科研人员提出了亚波长光栅(swg)、浅刻蚀光波导结构和槽型波导结构，这些结构需要复杂的加工技术。基于光栅结构的片上集成起偏器可以实现高偏振消光比和宽工作带宽，但波导结构具有一定的背反射效应，也会产生光损耗。

3、片上集成起偏器通常在特定的波导结构中传输固定的偏振模式，难以实时调制传输的偏振模式。然而，可调节的偏振集成起偏器件在偏振敏感的光子集成芯片中发挥重要作用，可根据集成光子器件的功能需求实时调节传输的偏振模式。通过外部机械旋转偏振调控器或利用光纤压缩双折射效应可实现起偏器的偏振调控，但这些方法都无法适用于集成器件的偏振调控。目前已有研究报道利用热光效应、载流子色散效应和电光效应实现片上集成起偏器的偏振调制，但这些器件的设计和制备难度很大，且偏振调控性能不稳定。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的技术问题，本发明旨在提出一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，在脊形光波导上覆盖一层温控相变材料薄膜，加热条件下，材料薄膜折射率减小，脊形光波导中传输的tm0偏振模式的有效折射率恢复到没有覆盖材料薄膜时的折射率值，tm0偏振模式在脊形光波导中的传输损耗较大，只有te0偏振模式可在所述脊形光波导中低损耗的传输，脊形光波导发挥起偏作用，从而实现了可调节的片上集成起偏器。

2、本发明利用以下技术方案实现：

3、一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，包括基底7和设置在所述基底7上的te型片上集成起偏器，所述te型片上集成起偏器由脊形光波导3组成，在所述te型片上集成起偏器上覆盖可调节层4；入射光由输入端input端口5输入，在te0偏振模式和tm0偏振模式下沿着所述直线型脊形光波导3传输，通过输出端output端口6输出；所述基底7包括晶体单晶薄膜层1和衬底材料层2。

4、在一些实施方式中，所述可调节层4采用温控相变材料薄膜，所述te型片上集成起偏器的起偏功能通过加热调节温控相变材料薄膜的折射率进行调制。

5、在一些实施方式中，所述脊形光波导3的脊宽w和外脊高h满足单模光传输条件。

6、在一些实施方式中，所述te0偏振模式的光场能量沿平行于所述脊形光波导3平面方向分布；所述tm0偏振模式的光场能量沿垂直于所述脊形光波导3平面方向分布。

7、在一些实施方式中，通过调整所述脊形光波导3的外脊高h和脊宽w，增加所述脊形光波导的脊宽w，减小所述脊形光波导3的外脊高h，以使得仅所述te0偏振模式沿所述脊形光波导3传输。

8、在一些实施方式中，所述te0和tm0偏振模式在所述脊形光波导3中的有效折射率不同，所述te0偏振模式的有效折射率大，而所述tm0偏振模式的有效折射率小到接近所述衬底材料层2的有效折射率。

9、在一些实施方式中，所述tm0偏振模式在所述脊形光波导3中的传输损耗大于所述te0偏振模式的光传输损耗。

10、在一些实施方式中，所述te型片上集成起偏器的工作波长范围覆盖从可见光到近红外光的宽波长范围，偏振消光比高。

11、在一些实施方式中，所述脊形光波导3采用直线型脊形光波导或弯曲型脊形光波导。

12、与现有技术相比，本发明的优点和达成的积极技术效果如下：

13、1)在所述脊形光波导上覆盖一层温控相变材料薄膜，室温条件下，材料薄膜折射率大，所述脊形光波导中传输的所述tm0偏振模式的有效折射率比没有覆盖材料薄膜时增加，此时，所述te0偏振模式和所述tm0偏振模式均可在所述脊形光波导中低损耗的传输，所述脊形光波导的起偏作用消除；在所述脊形光波导上覆盖一层温控相变材料薄膜，加热条件下，材料薄膜折射率减小，所述脊形光波导中传输的所述tm0偏振模式的有效折射率恢复到没有覆盖材料薄膜时的折射率值，所述tm0偏振模式在脊形光波导中的传输损耗较大，只有所述te0偏振模式可在所述脊形光波导中低损耗的传输，所述脊形光波导发挥起偏作用，从而实现了宽光谱范围的、超高消光比并且可调节的片上集成起偏器；

14、2)为集成光子器件的偏振调控及其在量子通信等领域的应用提供了可行性；

15、3)利用简单的脊形光波导结构，在可见光到近红外的宽光谱范围内实现了高消光比的片上集成起偏器，起偏器的加工容差大，可适用于氮化硅等多种晶体材料；

16、4)该片上集成起偏器件结构简单，性能稳定，为光子集成芯片的偏振调控提供更多可行性和灵活性，在光通信和量子信息等科技前沿领域有重要应用价值；

17、5)所述te0和tm0偏振模式在所述脊形光波导中的传输损耗都很小，小于1db。

技术特征：

1.一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，包括基底(7)和设置在所述基底(7)上的te型片上集成起偏器，所述te型片上集成起偏器由脊形光波导(3)组成，在所述te型片上集成起偏器上覆盖可调节层(4)；入射光由输入端input端口(5)输入，在te0偏振模式和tm0偏振模式下沿着所述脊形光波导(3)传输，通过输出端output端口(6)输出；所述基底(7)包括晶体单晶薄膜层(1)和衬底材料层(2)。

2.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，所述可调节层(4)采用温控相变材料薄膜，所述te型片上集成起偏器的起偏功能通过加热调节温控相变材料薄膜的折射率进行调制。

3.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，所述脊形光波导(3)的脊宽w和外脊高h满足单模光传输条件。

4.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，所述te0偏振模式的光场能量沿平行于所述脊形光波导(3)平面方向分布；所述tm0偏振模式的光场能量沿垂直于所述脊形光波导(3)平面方向分布。

5.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，通过调整所述脊形光波导(3)的外脊高h和脊宽w，增加所述脊形光波导(3)的脊宽w，减小所述脊形光波导(3)的外脊高h，以使得仅所述te0偏振模式沿脊形光波导(3)传输。

6.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，所述te0和tm0偏振模式在所述脊形光波导(3)中的有效折射率不同，所述te0偏振模式的有效折射率大，而所述tm0偏振模式的有效折射率小到接近所述衬底材料层(2)的折射率。

7.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，所述tm0偏振模式在所述脊形光波导(3)中的传输损耗大于所述te0偏振模式的光传输损耗。

8.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，所述te型片上集成起偏器的工作波长范围覆盖从可见光到近红外光的宽波长范围。

9.根据权利要求1所述的一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，其特征在于，所述脊形光波导(3)采用直线型脊形光波导或弯曲型脊形光波导。

技术总结
本发明公开了一种基于脊形光波导的可调节片上集成起偏器，包括基底(7)和设置在所述基底(7)上的TE型片上集成起偏器，以及覆盖在起偏器上的可调节层(4)；所述TE型片上集成起偏器由脊形光波导(3)组成，入射光由输入端Input端口(5)输入，在TE<subgt;0</subgt;偏振模式和TM<subgt;0</subgt;偏振模式下沿着所述脊形光波导(3)传输，通过输出端Output端口(6)输出；所述基底(7)包括晶体单晶薄膜层(1)和衬底材料层(2)；所述TE型片上集成起偏器在晶体单晶薄膜层(1)上制备。与现有技术相比，本发明实现了宽光谱范围的、超高消光比并且可调节的片上集成起偏器。

技术研发人员：马钰洁,郑鑫智,赵晨淅,赵世龙,阮双琛,周沧涛,项炳锡
受保护的技术使用者：深圳技术大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/24