【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种片上偏振转换器，是一种具有大带宽、高消光比、低插入损耗、大工艺容差等优点的薄膜铌酸锂波导的偏振转换器。
技术介绍
1、偏振转换器广泛应用于量子通信与计算、光网络、光传感与测量等领域。铌酸锂晶体拥有优秀的电光特性、超大透明窗口、较大二阶非线性系数，绝缘体上薄膜铌酸锂（lnoi）刻蚀型波导相对传统钛扩散或质子交换铌酸锂波导，集成度高，是制造电光集成器件的重要平台。基于薄膜铌酸锂的偏振转换器的实现方式目前有几种方法：利用表面等离子体的铌酸锂波导实现高效偏振旋转；通过定向耦合器实现不同偏振态模式的耦合；利用各向异性特性，弯曲过程中发生不同偏振态的耦合，最终实现偏振旋转；利用铌酸锂材料双折射对x切割lnoi波导偏振特性的影响，通过使光偏离z轴传播引起被动偏振耦合，实现了无源lnoi偏振旋转器。现有的偏振转换器在工作带宽、工艺复杂度或插入损耗上仍存在问题，在薄膜铌酸锂平台还缺乏大带宽、低功耗等高性能的偏振转换器。
技术实现思路
1、针对当前
技术介绍
中所提到的不足，本专利技术利用基于薄膜铌酸锂波导超模演化可以实现te0-tm0、tm0-te0之间的不同偏振态基模的转换，本专利技术的目的在于设计一种具有大带宽、高消光比、低插入损耗、大工艺容差优点的偏振转换器。本专利技术可以用于光学传感器、光学元件测试、光通信系统、激光系统等。
2、本专利技术的消光比的定义如下：输出的te0和tm0的能量分别为p1和p2，消光比＝10·log(p2/p1)。消光比越高，转换效率越高。插
3、本专利技术采用的技术方案是：
4、本专利技术包括输入端波导、输入模式转换器、第一s弯曲波导、相移器、第二s弯曲波导、输出模式转换器、输出端波导。输入端波导与输入模式转换器的输入端相连，输入模式转换器的另一端连接第一s弯曲波导的输入端，第一s弯曲波导输出端与相移器输入端相连，相移器输出端连接第二s弯曲波导输入端，第二s弯曲波导的另一端与输出模式转换器的输入端相连，输出模式转换器输出端连接输出端波导。
5、本专利技术的偏振转换器由输入端波导输入的横电基模te0，演变为输出端波导输出的横磁基模tm0，当输入端波导输入tm0模时，实现相反的模式演化过程最终变为te0输出。
6、所述的输入（输出）模式转换器由三根波导组成三波导系统，中间的波导b宽度从宽的wb1变化到窄的wb2，同时两侧的波导a和波导c，宽度从窄的wa1变化到宽的wa2。其中wb1的取值在支持波导te和tm两个偏振单模条件范围内选取；wa2的取值在支持波导te偏振单模条件范围内选取；窄端的大小wa1和wb2小于0.15μm，最小根据能够制作的工艺确定；波导b与两侧的波导a和波导c之间的间距wg1在三根波导宽度变化过程中保持不变，大小根据最小能够制作的工艺确定。输入模式转换器和输出模式转换器完全相同，整个输入（输出）模式转换器关于水平中心线对称。
7、所述的输入（输出）模式转换器中间的波导b较宽的一端与输入端或输出端波导连接，另一端与相移器通过第一s弯曲波导或第二s弯曲波导连接。当输入端波导的te0模输入时，激发输入模式转换器三波导系统的te对称模tes0，起初模场能量主要集中的较宽的中间波导区域，经过输入模式转换器的绝热演变，模场能量分布在两侧的波导中；当输入端波导的tm0模输入时，激发输入模式转换器三波导系统的tm超模tms0，经过输入模式转换器的传输，其模式杂化演变为三波导系统的te反对称模tes1，模场能量分布在两侧的波导中。
8、所述第一s弯曲波导由三根波导组成，中间波导b的宽度为wb2，两侧波导a和波导c为拼接的两段相切的圆弧，将中间波导b与两侧的波导a和波导c之间的间距从wg1展宽到wg2。
9、所述的相移器主要包含波导a、波导b、波导c，并且三根波导间保持一个固定的间距wg2；在所述的相移器区域，波导a的宽度wc1与输入模式转换器的外侧波导输出宽度wa2一致，波导b的宽度wc2与输入模式转换器的中间波导输出宽度wb2一致，波导a和波导b均为直波导，波导c由两段对称的缓变锥形波导和一段直波导三部分组成，宽度从与输入模式转换器的外侧波导输出的宽度wa2线性缓变展宽到wc3，经过一段直波导后，宽度缓变回到wa2。当te对称模tes0输入时，光在波导c传输相比波导a多π相位变化，对称模tes0转变为反对称模tes1输出；反之，当反对称模tes1输入时，转换为对称模tes0输出。
10、所述的输入端波导、输入模式转换器、第一s弯曲波导、相移器、第二s弯曲波导、输出模式转换器、输出端波导均为通过x切薄膜铌酸锂半刻蚀形成的锥形脊型波导结构。所述的基于薄膜铌酸锂波导的偏振转换器关于中间垂直线左右对称。
11、本专利技术具有的有益效果是：
12、本专利技术采用的输入(输出)模式转换器采用了一种三波导系统，利用超模杂化以及模式演变原理，能够实现输入模式转换器三波导系统的tm超模tm0到反对称模tes1的演变以及三波导系统的对称模tes0的无损传输。该工作机制具备较高的消光比、大带宽、低损耗、大工艺容差等优势。
13、本专利技术采用的相移器采用三条宽度不同的波导组成，其中波导c利用缓变锥形波导与直波导相结合的形式，实现了光在波导c传输相比波导a多π相位变化，最终实现对称模tes0与反对称模tes1的相互转换。该设计具备大带宽、结构紧凑、低损耗、大工艺容差等优势。
14、本专利技术偏振的转换基于超模绝热演化和不同波导宽度的相移器，最终可以实现工作波段为240nm，消光比大于20db，损耗小于0.3db的高性能偏振转换。
15、所有薄膜铌酸锂波导均采用同一深度的半刻蚀锥形脊型波导结构，制作工艺简单，加工成本低。
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1.一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：包括自下而上依次层叠设置的硅衬底层、埋氧层、铌酸锂层和二氧化硅上包层；通过刻蚀技术在X切铌酸锂层形成薄膜铌酸锂光波导；薄膜铌酸锂光波导包含了依次连接的输入端波导、输入模式转换器、第一S弯曲波导、相移器、第二S弯曲波导、输出模式转换器和输出端波导。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：所述的输入模式转换器由三根波导组成三波导系统，中间的波导b宽度从宽的wb1变化到窄的wb2，同时两侧的波导a和波导c，宽度从窄的wa1变化到宽的wa2；其中wb1的取值在支持波导TE和TM两个偏振单模条件范围内选取；wa2的取值在支持波导TE偏振单模条件范围内选取；窄端的大小wa1和wb2小于0.15μm，最小根据能够制作的工艺确定；波导b与两侧的波导a和波导c之间的间距wg1在三根波导宽度变化过程中保持不变，大小根据最小能够制作的工艺确定；输入模式转换器和输出模式转换器完全相同，整个输入模式转换器及输出模式转换器均关于水平中心线对称。
3.根据权利要求1或者2所述的一种基于
4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：所述第一S弯曲波导由三根波导组成，中间波导b的宽度为wb2，两侧波导a和波导c为拼接的两段相切的圆弧，将中间波导b与两侧的波导a和波导c之间的间距从wg1展宽到wg2。
5.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：所述的相移器包含波导a、波导b、波导c，并且三根波导间保持一个固定的间距wg2；在所述的相移器区域，波导a的宽度wc1与输入模式转换器的外侧波导输出宽度wa2一致，波导b的宽度wc2与输入模式转换器的中间波导输出宽度wb2一致，波导a和波导b均为直波导，波导c由两段对称的缓变锥形波导和一段直波导三部分组成，宽度从与输入模式转换器的外侧波导输出的宽度wa2线性缓变展宽到wc3，经过一段直波导后，宽度缓变回到wa2；
6.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：所述的输入端波导、输入模式转换器、第一S弯曲波导、相移器、第二S弯曲波导、输出模式转换器、输出端波导均为通过X切薄膜铌酸锂半刻蚀形成的锥形脊型波导结构；所述的基于薄膜铌酸锂波导的偏振转换器关于中间垂直线左右对称。
7.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于，工作过程如下：当输入端波导的TE0模输入时，通过输入模式转换器绝热演变为三波导系统的对称模TEs0，通过相移器转换为三波导系统的反对称模TEs1,最后通过输出模式转换器杂化演变为输出端波导的TM0模；当输入端波导的TM0模输入时，实现相反的模式演化过程最终变为TE0输出。
...【技术特征摘要】
1.一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：包括自下而上依次层叠设置的硅衬底层、埋氧层、铌酸锂层和二氧化硅上包层；通过刻蚀技术在x切铌酸锂层形成薄膜铌酸锂光波导；薄膜铌酸锂光波导包含了依次连接的输入端波导、输入模式转换器、第一s弯曲波导、相移器、第二s弯曲波导、输出模式转换器和输出端波导。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：所述的输入模式转换器由三根波导组成三波导系统，中间的波导b宽度从宽的wb1变化到窄的wb2，同时两侧的波导a和波导c，宽度从窄的wa1变化到宽的wa2；其中wb1的取值在支持波导te和tm两个偏振单模条件范围内选取；wa2的取值在支持波导te偏振单模条件范围内选取；窄端的大小wa1和wb2小于0.15μm，最小根据能够制作的工艺确定；波导b与两侧的波导a和波导c之间的间距wg1在三根波导宽度变化过程中保持不变，大小根据最小能够制作的工艺确定；输入模式转换器和输出模式转换器完全相同，整个输入模式转换器及输出模式转换器均关于水平中心线对称。
3.根据权利要求1或者2所述的一种基于薄膜铌酸锂波导超模演化的偏振转换器，其特征在于：所述的输入模式转换器中间的波导b较宽的一端与输入端或输出端波导连接，另一端与相移器通过第一s弯曲波导或第二s弯曲波导连接；当输入端波导的te0模输入时，激发输入模式转换器三波导系统的te对称模tes0，起初模场能量主要集中的较宽的中间波导区域，经过输入模式转换器的绝热演变，模场能量分布在两侧的波导中；当输入端波导的tm0模输入时，激发输入模式转换器三波导系统的tm超模tms0，经过输入模式转换器的传输，其模式杂化演变为三波导系统的te反对称...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈楷旋，赵凡苏，张国务，刘柳，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：
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