一种波导型可调控检偏器

摘要

一种波导型可调控检偏器，属于集成光子器件技术领域。该波导型可调控检偏器采用有机聚合物材料和具有大双折射率差的液晶材料，使不同偏振光信号在波导传输过程中存在不同的泄漏损耗，从而完成TE波光信号偏振检偏。通过电极施加调控电压，利用电光效应来调控液晶的晶轴取向，从而实现TM波光信号偏振检偏。该器件可以对不同偏振光信号实现在线检偏，具有结构简单、易于设计和制作、波长依赖性低、调控简便等诸多优点，在集成光子系统中有广阔应用前景。

权利要求

1.一种波导型可调控检偏器，包括由光输入直波导（1）、调控直波导（2）、光输出直波导（3）所构成的一个波导器件；所述光输入直波导（1）和光输出直波导（3）由下包层材料（4）、芯层材料（5）、上包层材料（6）构成，而调控直波导（2）由下包层材料（4）、芯层材料（5）、上包层材料（7）构成；所述调控直波导（2）的上包层材料（7）为液晶材料，其晶轴初始方向平行于水平平面，且与直波导垂直；所述调控直波导（2）的上方为金属电极（8），调控直波导（2）的下方为金属电极（9）；当上、下金属电极（8，9）之间不施加控制电压时，液晶材料的晶轴取向为初始方向；当上、下金属电极（8，9）之间施加饱和控制电压U0时，液晶材料的晶轴取向变为与初始方向相垂直；当上、下金属电极（8，9）之间不施加控制电压时，从光输入直波导（1）输入的光信号经过调控波导（2）后，TM波偏振光从光输出直波导（3）输出，而TE波偏振光因很大的泄漏损耗而导致无输出；当上、下金属电极（8，9）之间施加饱和控制电压U0时，从光输入直波导（1）输入的光束经过调控波导（2）后，TE波偏振光从光输出直波导（3）输出，而TM波偏振光因很大的泄漏损耗而无输出。

2.根据权利要求1所述的波导型可调控检偏器，其特征在于，所述芯层材料（5）为掺ICP-E的聚砜，所述下包层材料（4）为聚合物材料UV15，所述上包层材料（6）为聚合物材料PMMA；所述调控直波导（2）的上包层材料（7）为液晶材料E7。

说明书

一种波导型可调控检偏器

技术领域

[0001] 本发明属于集成光子学领域，涉及光波导功能器件，具体指一种基于电光效应的可调控检偏器件。

背景技术

[0002] 光波导功能器件是集成光子系统中的单元器件，因其结构紧凑、易于集成、性能稳定等诸多优点而受到国内外研究人员的广泛关注和重视，且近年来发展十分迅速。光波导功能器件可通过采用不同方式进行系统集成，从而实现具有相应光信息处理功能的集成光子系统，它们在光通信、光信号处理、传感等领域有着广泛应用。

[0003] 波导型偏振功能器件是集成光子系统中不可或缺的核心元器件，具体包括检偏器、偏振分离器和偏振旋转器。在集成光子系统中，通常由于存在偏振模式色散、偏振相关损耗、偏振相关增益等诸多偏振效应，易导致信号的波动、幅度噪声和波形失真等问题，这将严重限制光通信和光信号处理质量，因而需设计和制作偏振功能器件来改善集成光子系统性能。目前，国内外研究人员已提出了各种不同实现方案，但是这些具有不同结构和工作原理的波导型偏振功能器件，通常属于“静态”型传统元器件，其偏振输出不能在线动态调控，这不仅使其应用领域和范围受到较大限制，而且在器件设计和制作过程中与其它光子器件集成时也将产生新的诸多问题。

[0004] 近年来，可调控偏振功能器件的研究开始引起了人们的极大兴趣。设计和制作可调控偏振功能器件，这不仅能解决光子系统中不同功能器件的偏振效应问题，同时还可解决因制作工艺误差所引起的器件性能降低的问题；其次，可调控偏振功能器件还可用于对集成光子系统在不同状态下的不同偏振光的传输损耗进行在线监测；另外，在偏振复用通信技术和偏振光时域反射技术中，需要可调控偏振功能器件对其偏振进行在线调控；最后，在量子通信中对量子信息进行编码和解码过程中需要可调控偏振功能器件来完成，其器件性能将直接影响通信速率和误码率。目前，有关可调控偏振功能器件的实现方案多种，但这些器件主要适用于自由空间光传输和光纤系统中的偏振调控，而真正能用于集成光子系统的偏振调控的报道则较少。这些器件在调控性能、制作难度、波长依赖性、结构复杂性等某一或多个方面存在较大缺点，离实际应用还有较大距离。

[0005] 波导型可调控检偏器是利用电光或热光等效应，对集成光学系统中的特定偏振态（即TE或TM）光信号的传输进行有效调控，使其获得特定偏振光输出。例如，当TE和TM光信号同时输入到波导型检偏器时，波导型检偏器仅使TE光信号输出，而TM光信号被衰减掉，则称为TE波检偏；改变调控信号，波导型检偏器仅使TM光信号输出，而TE光信号被衰减掉，则称为TM波检偏。这种器件在系统中的作用至为重要，但目前还未见有关报道。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提供一种波导型可调控检偏器，该波导型可调控检偏器采用脊型波导结构，在调控区域采用具有大双折射率差的液晶材料作为上包层，在调控区的上、下调控电极分别位于上下包层的上下方；该波导型可调控检偏器利用电光效应，改变调控区域的折射率，使其不同偏振态的光信号的传输损耗发生不同改变，从而实现特定偏振光输出的调控。该器件具有结构简单、易于设计和制作、波长依赖性低、调控简便等诸多优点。

[0007] 本发明技术方案如下：

[0008] 一种波导型可调控检偏器，如图1、2、3所示，其中图1为器件俯视图，图2和图3分别为波导在AA′、BB′位置处的横截面图。波导由输入波导1、调控波导2和输出波导3构成，三者成一直线。输入波导1和输出波导3是由下包层材料4、芯层材料5和上包层材料6构成的一个脊型直波导结构；而调控波导2由下包层材料4、芯层材料5和上包层材料7构成的一个脊型直波导结构，上包层材料7为液晶材料；在调控区，其调控上电极8和下电极9分别位于上、下包层的上、下方；所述液晶材料的晶轴初始方向平行于水平平面，且与直波导垂直。

[0009] 当上、下金属电极之间不施加控制电压时，液晶材料的晶轴取向为初始方向；当上、下金属电极之间施加饱和控制电压U0时，液晶材料的晶轴取向变为与初始方向相垂直。通过锥形光纤耦合，光信号由左端耦合进波导中沿着波导向前传输。当上下金属电极之间不施加控制电压时，TE波偏振光在调控区因泄漏大而损耗掉，故没有输出；而TM波偏振光在调控区波导内传输时其损耗很小，将继续向前传播，从右端输出，实现了TM波偏振光的检偏。当上下金属电极之间施加控制电压时，液晶材料的晶轴取向变为竖直方向，这时TM波偏振光在调控区因泄漏损耗大而没有输出；而TE波偏振光在调控区因损耗很小而将从波导右端输出，实现了TE波偏振光的检偏。

[0010] 本发明提供的波导型可调控检偏器均由有机聚合物材料构成，器件为脊型直波导型结构，采用光学光刻方法可容易制作，与传统光波导制作工艺兼容，这里不再详细介绍其制作过程。而对于调控区的液晶部分，则与传统液晶器件制作工艺类似。

[0011] 本发明的工作原理是：

[0012] 本发明提供的波导型可调控检偏器的波导横切面如图2和3所示，设下包层材料4折射率为 、芯层材料5折射率为 ，上包层材料6折射率为 ，包层和芯层材料均为有机聚合物材料。其波导芯层厚度、脊高以及宽度分别为 、以及 。而在调控区的上包层材料7为液晶，其寻常光和非常光所对应的折射率分别为 和 。调控区的控制电极为微带结构，包括上电极和下电极。

[0013] 当控制电极上没有施加电压时，连接波导的芯层液晶材料的晶轴取向不发生改变，即沿水平方向。这时TE波和TM波所对应的折射率分别为 和 ，其TE波光信号因光波导模场约束条件失效而导致TE波光信号在调控区传输过程中急剧衰减，在直波导3的输出端口将没有TE波光信号输出；而TM波光信号在调控区区波导内正常传输，然后经直波导3输出，从而实现TM波检偏。当控制电极上施加控制电压U0时，连接波导的芯层液晶材料的晶轴取向将发生改变，即沿竖直方向。这时TE波和TM波所对应的折射率也将随之改变，即分别为和 ，其TE波光信号则在调控区区波导内正常传输，然后经直波导3输出；而TM波光信号因在调控区泄漏损耗大而没有输出，由此实现了TE波检偏。由此可见，通过改变调控电压，即可实现TM波检偏，也可实现TE波检偏，实现了光信号的偏振分离和偏振光输出通道的转换调控。

[0014] 本发明提出的波导型可调控检偏器，其原理是利用各向异性材料液晶的大双折射率差特性，通过电光效应的调控来改变液晶的晶轴取向，从而实现光信号的不同偏振检偏。这是一种具有新型功能的光波导器件，具有结构简单、易于设计和制作、波长依赖性低、调控简便等诸多优点，在集成光子系统中具有应用前景。

附图说明

[0015] 图1是本发明提供的波导型可调控检偏器的结构示意图。

[0016] 图2是本发明提供的波导型可调控检偏器沿图1中AA’连线进行剖分的截面示意图。

[0017] 图3是本发明提供的波导型可调控检偏器沿图1中BB’连线进行剖分的截面示意图。

[0018] 图4是本发明提供的波导型可调控检偏器在液晶晶轴取向沿水平方向时(a)TE波和(b)TM波光信号在波导中传播的光场分布。

[0019] 图5是本发明提供的波导型可调控检偏器在液晶晶轴取向沿竖直方向时(a)TE波和(b)TM波光信号在波导中传播的光场分布。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图对本发明进行进一步的说明。通常，光通信系统中通信窗口为近红外光，这里，假定光信号的工作波长为1.55μm。如图1所示，波导芯层材料5为掺ICP-E的聚砜，其折射率为1.67；下包层材料4为聚合物材料UV158，其折射率为1.50；上包层材料6为聚合物材料PMMA，其折射率为1.48；上包层材料7为液晶E7，其寻常光和非常光所对应的折射率分别为1.50和1.685。其波导芯层厚度 、脊高 以及宽度 分别为1.0μm、0.8μm、5.0μm。

[0021] 这里采用光束传播法（BPM）对本发明提供的波导型可调控检偏器的光学性能进行模拟。当控制电极不是加控制电压时，液晶材料的晶轴取向为初始方向，TE波和TM波光信号在该器件调控区中传播的光场分布如图4(a)和(b)所示，对于TE波和TM波，其光损耗分别仅为30.1 dB和0.001 dB，其消光比高达30 dB，TM波光信号完全输出而TE波光信号无输出，从而实现TM波检偏。当控制电极施加饱和控制电压10V时，液晶材料的晶轴取向发生改变，与初始方向相垂直，TE波和TM波光信号在该器件调控区中传播的光场分布如图5(a)和(b)所示，对于TE波和TM波，而其光损耗分别仅为0.002 dB和30.2 dB，其消光比也超过30 dB，TM波光信号无输出而TE波光信号完全输出，从而获得TM波检偏。上述模拟结果表明，通过电压调控液晶晶轴方向，该器件能实现不同偏振光波的检偏。

[0022] 另外，本发明进一步考察了波导型可调控检偏器检偏性能对其工作波长的依赖性。当入射光信号波长范围为1530nm 1565nm，模拟结果表明，其光功率输出随工作波长变~化很小，这里不再给出其模拟结果。因此，该器件的波长依赖性很低，这对于其实际应用十分有用。接着，本发明考察了制作工艺误差对波导型可调控检偏器光学性能的影响。在目前工艺技术条件下，波导线宽误差和波导脊高误差可容易控制在±0.5μm和±0.1μm以内。这里分别假设其波导线宽和波导脊高的变化范围为-0.5μm～0.5μm和-0.1μm～0.1μm，模拟结果表明，其各个端口的光功率输出受工艺误差变化的影响很小，这种特性有利于降低波导型可调控检偏器的工艺制作难度和制作费用，对于其实际应用十分有用。

[0023] 本发明所提出的一种波导型可调控检偏器，具有结构简单、易于设计与制作、波长依赖性低、输出端口转换方便等优点，在集成光子系统中具有应用前景。