本发明专利技术涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，属于光量子集成器件技术、光学微纳加工和量子通讯领域。为了解决量子密钥成码速率受偏振无关调制器的双向调制速率以及不等臂干涉延时的限制，本发明专利技术在铌酸锂薄膜材料上集成双向相位调制器、片上延时波导、光场变换器以及偏振旋转器。在延时波导输出端的波导端面贴合光场变换器，并集成偏振旋转器实现光偏振态的旋转。光信号通过光纤传入波导，首先经过双向相位调制器完成一次调制后进入延时波导，再进入光场变换器中，扩大光模场后进入偏振旋转器，到达高反射膜再反射回波导，光信号完成偏振态旋转90
【技术实现步骤摘要】
一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器
[0001]本专利技术涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，属于光量子集成器件
、光学微纳加工领域和量子通讯领域。
技术介绍
[0002]铌酸锂单晶薄膜(LNOI)具有透光光谱宽，折射率高，二阶非线性高及压电响应大等优点，是一种重要的集成光子学基础材料。LNOI材料具有亚波长尺度的光约束和光电器件的高密度集成能力，能够实现具有更高性能、更低成本的全新器件及应用，给光通信和微波光子学带来革命性的变革。基于铌酸锂薄膜的集成光子器件技术是一种能与硅光子技术兼容的混合集成技术，实现的器件具有体积小，质量小，工作频率高，易制作和IC集成的优点，市场应用前景广阔，现已成为国内外的研究热点。
[0003]要真正实现光学超构表面从实验室走向实际应用，高分辨率、高精度、高深宽比、难加工材料、大面积、低成本的微纳结构的加工是关键。近年来微纳技术快速发展，微纳尺度表现出的局域效应及其产生的新物理、新效应，为新型铌酸锂光电器件的研发带来了新的发展机遇。微纳器件与系统是在集成电路制作上发展的系列专用技术，研制微型传感器、微型执行器等器件和系统，具有微型化、批量化、成本低的鲜明特点，对现代生活、生产产生了巨大的促进作用，并催生了一批新兴产业，为铌酸锂微纳光子学及器件的新应用奠定了基础。
[0004]随着信息技术的飞速发展，信息安全问题也愈加受到人们的关注。量子安全成码率是衡量量子通信系统安全与否的关键参数。量子保密通信尤其是量子密钥分发(QKD)作为量子信息的一个重要分支正在快速发展，已经逐步走向实用化和网络化。集成光路以其器件尺寸小、集成度高、制备工艺简单和抗干扰能力强的特点，成为了新一代量子通信系统的研究平台。光子信号在光纤中传输时其相位信息更易保持，因此相位编码方案是一种重要且易于工程化的光纤量子密钥系统实现方案。光纤量子密钥系统要在实际条件下长时间稳定工作,需要具备对光纤的双折射效应以及环境变化所造成的相位漂移的自动补偿能力，因此存在一定损耗且传输效率较低。在基于不等臂干涉的量子密钥分发系统中，由于传统的量子密钥分发系统中的偏振无关调制器的双向调制速率不高，基于光纤熔接方式的不等臂干涉延时会受到限制，无法满足量子密钥成码速率的提升要求。而基于铌酸锂薄膜波导的相位调制器具有电光系数大，半波电压小，响应速度快，易于集成，技术成熟等优点，在光通信中有广泛的应用。基于铌酸锂薄膜材料能够实现大带宽的双向调制器和低延时波导，通过直接耦合旋光晶体实现偏振无关的调制方式，可以不受传统光纤熔接方式的影响，从而可以提升量子密钥分发系统的速率。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶
体耦合偏振无关双向相位调制器，通过耦合由旋光晶体、外部磁环以及高反射膜组成的偏振旋转器，并利用旋光晶体与磁环的相互作用产生的法拉第旋转效应，来实现光轴的偏振旋转以及偏振传输的补偿，并消除传统光纤熔接方式的传输速率限制。基于铌酸锂薄膜材料实现光信号的双向相位调制和低延时波导以提升量子密钥分发系统的速率，解决量子密钥分发系统中量子密钥成码速率受限的问题。为解决上述的技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：本专利技术提供了一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，在铌酸锂衬底上制作光波导及调制光波导中光相位的行波电极，信号电极与接地电极之间留有间隔，分别沿光波导轴向排列在光波导两侧，射频信号从两侧的电极焊盘进入，分别向两端传输，光信号从光纤进入相位调制器的光波导内，向旋光晶体的方向传输，光信号主要受到传输方向一致的射频信号的调制，传输方向与光信号相反的射频信号对光信号不产生影响。因此光信号在光波导中来回传输均受到相同的相位调制，光波导和行波电极在铌酸锂基底上可构成双向相位调制器。相位调制器波导的另一端与延时波导相连，在延时波导的输出光学端面端对端使用紫外固化胶粘贴光场变换器，光场变换器由非球面平凸透镜和毛细玻璃管组成，可以实现光斑的准直扩束，使波导光斑扩大，实现与旋光晶体光场的模场匹配，降低耦合损耗，提升耦合效率。入射光从相位调制器的光波导出射后进入延时波导，光信号延时后直接进入光场变换器，通过光场变换器耦合进偏振旋转器中，使光最后返回波导时光轴一共偏振旋转90
°
，改变入射光的方向，实现TM模和TE模的模式互换，实现了偏振无关的双向相位调制，且旋光晶体通过光场变换器与光芯片的波导耦合，传输距离缩短，进一步实现器件集成化以及调制带宽的提升。所述的铌酸锂基底为x切或z切铌酸锂。所述缓冲层为二氧化硅材料。所述光场变换器包含非球面平凸透镜和毛细玻璃管，对波导光斑进行扩束准直，与旋光晶体的光场之间实现模场匹配。所述偏振旋转器包含旋光晶体、高反射膜和磁环，光经过一次旋光晶体光轴偏振旋转45
°
。所述高反射膜使入射光反射再次经过旋光晶体，光轴偏振旋转90
°
后返回光波导。所述信号电极与接地电极沿光波导轴向对称平行排列，两个电极焊盘位于电极中间部分，优选为中点位置。所述的入射光经过与延时波导的光学端面贴合的光场变换器进入偏振旋转器后偏振旋转90
°
，TE模与TM模互换，实现偏振无关的相位调制。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：能够使入射光偏振旋转90
°
，使TM模与TE模实现模式互换从而达到偏振无关的调制效果，使调制效果不受偏振影响，以及通过行波电极的设计实现旋光晶体和铌酸锂相位调制器之间的来回传输的双向调制，并通过光场变换器实现波导光斑与旋光晶体光场之间的模场匹配，提升了耦合效率，提高了器件集成度以及调制器的调制带宽，降低不等臂延时差，且基于铌酸锂薄膜波导的调制器电光系数大，半波电压小，响应速度快，易于集成，从而可以提升量子密钥分发系统的速率，进一步提高量子密钥成码速率。
附图说明
图1为本专利技术所述调制器的一个实施例的示意图；图2是所述光场变换器(5)与偏振旋转器(6)的耦合内部构造示意图；图3是光在光场变换器(5)与偏振旋转器(6)内的光路和模式转换表示图；图4是双向相位调制器部分的俯视图；图中，1、光纤，2、铌酸锂薄膜光波导，3、行波电极，4、延时波导，5、光场变换器，6、偏振旋转器，7、非球面平凸透镜，8、毛细玻璃管，9、旋光晶体，10、高反射膜，11、磁环，12、信号电极，13、接地电极，14、电极焊盘
具体实施方式
下面结合附图对本专利技术的一个实施例做作详细说明。如图1、图2、图3和图4所示，该方案结构包括光纤1、铌酸锂薄膜光波导2、行波电极3、延时波导4、光场变换器5、偏振旋转器6、非球面平凸透镜7、毛细玻璃管8、旋光晶体9、高反射膜10、磁环11、信号电极12、接地电极13、电极焊盘14；所述的薄膜铌酸锂基底为x切或z切铌酸锂；所述的两个行波电极3包含信号电极、接地电极和电极焊盘；所述的铌酸锂薄膜光波导2和行波电极3组成的相位调制器可以对光信号进行双向调制；所述的光场变换器4是端对端贴合在延时波导的输出光学端面的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，其特征在于：包括光纤(1)，铌酸锂薄膜光波导(2)和行波电极(3)构成双向相位调制器，光纤(1)用于将光信号导入双向相位调制器的一个端面，所述铌酸锂薄膜光波导(2)和行波电极(3)均形成于薄膜铌酸锂基底上，行波电极(3)包括信号电极(12)、接地电极(13)以及两个电极焊盘(14)，一个电极焊盘与一个电极相连，电极焊盘位于对应电极的中部，两个电极焊盘用于同时接收射频信号，光信号受到传输方向一致的射频信号的调制；形成于薄膜铌酸锂基底上的行波电极(3)的两条电极,信号电极(12)和接地电极(13)平行放置于铌酸锂薄膜光波导(2)的两侧；在光波导之后连接一段直波导作为延时波导(4)，在延时波导(4)的输出光学端面设置了光场变换器(5)，光场变换器(5)用于将入射光扩束准直耦合进偏振旋转器(6)中，偏振旋转器(6)内的旋光晶体(9)在外部磁环(11)的作用下产生法拉第旋转效应，使入射光光轴偏振旋转45
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，到达高反射膜(10)后光信号反射传输回双向相位调制器，再次经过旋光晶体(9)，光轴一共偏振旋转90
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使TM模与TE模互换从而实现偏振无关的光传输，双向相位调制器对光信号进行两次相位调制。2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，其特征在于：所述的薄膜铌酸锂基底为x切或Z切铌酸锂基底。3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，其特征在于：光场变换器(5)依次包含非球面平凸透镜(7)和毛细玻璃管(8)，所述光场变换器(5)的端面与光芯片的延时波导(4)的输出光学端面采用紫外固化胶进行端对端直接固定；光波导(2)模场为3μm
‑
5μm,旋光晶体(9)光模场为6μm
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9μm，毛细玻璃管(8)直径为80μm。4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，其特征在于：偏振旋转器(6)依次包含旋光晶体(9)、高反射膜(10)和磁环(11)，偏振旋转器(6)与光场变换器(5)在耦合对准后通过紫外固化胶粘贴。5.根据权利要求4所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的旋光晶体耦合偏振无关双向相位调制器，其特...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨登才，李子琰，王智勇，杨锋，张旭涛，宝剑锋，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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