[發明專利]一種小型化高偏振消光比的多分支光波導芯片

有效

• 申請號: 201910247165.1
• 申請日: 2019-03-29
• 公開（公告）號: CN109870768B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 宋鏡明;張春熹;劉嘉琪;于雪柯;吳春曉;宋凝芳
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/125
• 分類號: G02B6/125;G02B6/126
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種小型化高偏振消光比的多分支光波導芯片，所述芯片的厚度為d，其中dd_min，d_min為TM模式經芯片底面中心反射后到達輸出光纖的最小入射角δw_min等于輸出光纖的孔徑角δ0時，芯片厚度的取值；和/或所述芯片包括設置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM輻射模式再耦合入輸出光纖。本發明有效的提高了芯片的偏振消光比，解決了波導芯片的偏振消光比隨芯片尺寸增大而降低的難題，擴展了高精度光纖陀螺中對波導芯片的應用需求。

技術領域

本發明涉及集成光學芯片設計領域，尤其涉及一種小型化高偏振消光比的多分支光波導芯片。

背景技術

光纖陀螺作為一種全固態的敏感角速度傳感器，具有無運動部件、壽命長、動態范圍寬、集成度高、重量輕、功耗小、成本低等特點，廣泛應用于導彈制導、航空、航天、船舶、石油鉆井平臺、汽車導向等軍用和民用領域。自1976年美國斯坦福大學Vali和Shortill教授完成了理論驗證以來，基于Sagnac效應的干涉型光纖陀螺已在國內外的各大領域實現了工程化和實用化。目前，光纖陀螺因其應用領域的不同，向高精度和小型化兩個方向發展，隨著對光纖陀螺應用需求的不斷增加，對其靈敏度、動態范圍、標度因數線性度等指標要求也隨之提高。以鈮酸鋰集成光學調制器為核心的數字閉環干涉型光纖陀螺系統是滿足以上需求的一個重要途徑。

鈮酸鋰集成光學調制器是閉環光纖陀螺系統中的核心光學組件之一，其參數指標直接影響光纖陀螺系統的性能。用于光纖陀螺的鈮酸鋰調制器通常稱為Y波導，集成了光的分束與合束、起偏和相位調制三大功能。目前光纖陀螺中使用的Y波導大多采用退火質子交換工藝制作，鈮酸鋰晶體為雙折射晶體，經質子交換后e光的折射率增大，o光的折射率減小，形成天然的單偏振傳輸特性。對于X切Y傳的鈮酸鋰調制器，耦合入Y波導的光只允許TE模式傳輸，TM模式自鈮酸鋰基底泄露掉，如圖1(a)-(b)所示，因而實現了光束起偏的功能。光纖陀螺中Y波導芯片的消光比定義為波導輸出端的TE模式與TM模式的比值，此數值越大表示Y波導芯片的起偏效果越好，輸出波導的光的偏振性越好。質子交換工藝制作的Y波導芯片天然具有很高的偏振特性，通常能夠達到60dB左右，能夠滿足中、低精度光纖陀螺對光束偏振特性的要求。然而對于較高精度光纖陀螺，其對各光學組件提出了更為苛刻的指標要求，其中高精度光纖陀螺中要求Y波導芯片的偏振消光比高于80dB，因此常規的質子交換鈮酸鋰調制器不能達到這一標準，需要改善質子交換工藝的條件、優化波導芯片的結構設計。

質子交換Y波導芯片的高偏振消光比源自TM模式的泄漏，理論上隨著芯片尺寸的加長，TM模式泄漏越徹底，芯片的偏振特性越好。然而在實際的測試中發現，相同工藝條件制作的Y波導芯片，隨著芯片尺寸的增長其偏振消光比反而呈下降趨勢，如圖2所示，與預測結果恰恰相反(此現象在國外專利中也曾提到)。得出產生這種偏振串擾的機制為：自波導芯片輸入端泄漏的TM模式，經芯片的下表面反射后一部分光重新耦合入波導的輸出端，增大了輸出端TM模式的比例，降低芯片的偏振消光比。而隨著波導芯片的增長，光在芯片底面發生反射的入射角變大，反射回輸出光纖光束的入射角減小，小于光纖的數值孔徑角度，TM模式滿足可耦合入波導通道的比例增大，因而產生了與預測結果相反的現象。而對于小芯片，反射的TM模式不滿足重新耦合的條件，不會耦合入輸出光纖。限制小芯片的偏振消光比的主要因素為泄漏的TM模式光會直接衍射至芯片的輸出端，并耦合入輸出光纖。

為了滿足高精度光纖陀螺對多功能集成光學調制器偏振消光比的需求，通常使用尺寸更長的Y波導芯片，并在底部制作TM模濾波器，然而這一技術與光纖陀螺的小型化相矛盾。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術的不足，從縱向與水平兩個截面分析了TM模式的重新耦合方式，由此提出了一種小型化高偏振消光比的多分支光波導芯片，重點抑制在波導芯片上表面方向TM模式的重新耦合，有效的提高了芯片的偏振消光比，為波導在高精度領域中的應用奠定基礎。