一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片的厚度为d，其中d>dmin，dmin为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δwmin等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值；和/或所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。本发明专利技术有效的提高了芯片的偏振消光比，解决了波导芯片的偏振消光比随芯片尺寸增大而降低的难题，扩展了高精度光纤陀螺中对波导芯片的应用需求。

A Miniaturized Multi-Branch Optical Waveguide Chip with High Polarization Extinction Ratio

The invention discloses a miniaturized multi-branch optical waveguide chip with high polarization extinction ratio. The thickness of the chip is d, where d > Dmin and Dmin are TM mode reflecting from the bottom center of the chip to reach the minimum incident angle of the output optical fiber, when the angle of aperture of the output optical fiber is equal to the angle of aperture of the output optical fiber, the chip thickness is taken; and/or the chip includes grooves arranged on the chip surface to make effective resistance. TM radiation modes parallel to the chip surface are coupled into the input and output fibers. The invention effectively improves the polarization extinction ratio of the chip, solves the problem that the polarization extinction ratio of the waveguide chip decreases with the increase of the chip size, and expands the application requirement of the waveguide chip in the high precision fiber optic gyroscope.

【技术实现步骤摘要】
一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片
本专利技术涉及集成光学芯片设计领域，尤其涉及一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片。
技术介绍
光纤陀螺作为一种全固态的敏感角速度传感器，具有无运动部件、寿命长、动态范围宽、集成度高、重量轻、功耗小、成本低等特点，广泛应用于导弹制导、航空、航天、船舶、石油钻井平台、汽车导向等军用和民用领域。自1976年美国斯坦福大学Vali和Shortill教授完成了理论验证以来，基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺已在国内外的各大领域实现了工程化和实用化。目前，光纤陀螺因其应用领域的不同，向高精度和小型化两个方向发展，随着对光纤陀螺应用需求的不断增加，对其灵敏度、动态范围、标度因数线性度等指标要求也随之提高。以铌酸锂集成光学调制器为核心的数字闭环干涉型光纤陀螺系统是满足以上需求的一个重要途径。铌酸锂集成光学调制器是闭环光纤陀螺系统中的核心光学组件之一，其参数指标直接影响光纤陀螺系统的性能。用于光纤陀螺的铌酸锂调制器通常称为Y波导，集成了光的分束与合束、起偏和相位调制三大功能。目前光纤陀螺中使用的Y波导大多采用退火质子交换工艺制作，铌酸锂晶体为双折射晶体，经质子交换后e光的折射率增大，o光的折射率减小，形成天然的单偏振传输特性。对于X切Y传的铌酸锂调制器，耦合入Y波导的光只允许TE模式传输，TM模式自铌酸锂基底泄露掉，如图1(a)-(b)所示，因而实现了光束起偏的功能。光纤陀螺中Y波导芯片的消光比定义为波导输出端的TE模式与TM模式的比值，此数值越大表示Y波导芯片的起偏效果越好，输出波导的光的偏振性越好。质子交换工艺制作的Y波导芯片天然具有很高的偏振特性，通常能够达到60dB左右，能够满足中、低精度光纤陀螺对光束偏振特性的要求。然而对于较高精度光纤陀螺，其对各光学组件提出了更为苛刻的指标要求，其中高精度光纤陀螺中要求Y波导芯片的偏振消光比高于80dB，因此常规的质子交换铌酸锂调制器不能达到这一标准，需要改善质子交换工艺的条件、优化波导芯片的结构设计。质子交换Y波导芯片的高偏振消光比源自TM模式的泄漏，理论上随着芯片尺寸的加长，TM模式泄漏越彻底，芯片的偏振特性越好。然而在实际的测试中发现，相同工艺条件制作的Y波导芯片，随着芯片尺寸的增长其偏振消光比反而呈下降趋势，如图2所示，与预测结果恰恰相反(此现象在国外专利中也曾提到)。得出产生这种偏振串扰的机制为：自波导芯片输入端泄漏的TM模式，经芯片的下表面反射后一部分光重新耦合入波导的输出端，增大了输出端TM模式的比例，降低芯片的偏振消光比。而随着波导芯片的增长，光在芯片底面发生反射的入射角变大，反射回输出光纤光束的入射角减小，小于光纤的数值孔径角度，TM模式满足可耦合入波导通道的比例增大，因而产生了与预测结果相反的现象。而对于小芯片，反射的TM模式不满足重新耦合的条件，不会耦合入输出光纤。限制小芯片的偏振消光比的主要因素为泄漏的TM模式光会直接衍射至芯片的输出端，并耦合入输出光纤。为了满足高精度光纤陀螺对多功能集成光学调制器偏振消光比的需求，通常使用尺寸更长的Y波导芯片，并在底部制作TM模滤波器，然而这一技术与光纤陀螺的小型化相矛盾。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，从纵向与水平两个截面分析了TM模式的重新耦合方式，由此提出了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，重点抑制在波导芯片上表面方向TM模式的重新耦合，有效的提高了芯片的偏振消光比，为波导在高精度领域中的应用奠定基础。根据本专利技术的一方面，提供了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片的厚度为d，其中d>dmin，dmin为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δwmin等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值。根据本专利技术的另一方面，提供了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。根据本专利技术的又一方面，提供了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片的厚度为d，其中d>dmin，dmin为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δwmin等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值；和所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。进一步，所述芯片厚度d具体由如下步骤确定：输出光纤的数值孔径NA为：NA＝nsinδ0(1)由等式(1)可以得到输出光纤的孔径角δ0为：δ0＝arcsin(NA/n)(2)根据反射定律，TM模式在芯片底面中心反射会形成最小入射角δwmin，其与芯片的厚度d关系为：其中，n为TM模式在芯片衬底中的折射率，L为芯片的长度，d为芯片的厚度，为了抑制经芯片底面反射的TM模式再耦合入输出光纤，需使得TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的TM模式的最小入射角δwmin大于输出光纤的孔径角δ0，即，在芯片的长度L一定的条件下，满足δwmin>δ0的芯片厚度d>dmin，其中：优选地，所述凹槽可以包括第一凹槽，所述第一凹槽根据光传输的光阑理论，设置在多分支光波导的分叉处以及与芯片端面平行的方向，使得输出光纤的集光区域位于由第一凹槽形成的光阑孔径处穿过的TM辐射模式的阴影区，第一凹槽包括由多分支光波导隔开的m段凹槽，其中，m＝M+1，M为多分支光波导的分支数。进一步，所述第一凹槽的边缘与所述芯片的质子交换区的相对位置为：第一凹槽的边缘距质子交换区的距离至少5μm，所述第一凹槽的位置由如下步骤确定：建立芯片坐标系，根据光束在凹槽边缘的衍射理论，在满足所述第一凹槽的边缘与交换区相对位置的前提下，第一凹槽的几何遮光区域在芯片输出端的投影长度wy为：其中，w1为第一凹槽的分支波导中间凹槽的长度，δc为芯片的端面切割角度，l1为第一凹槽距芯片输入端的距离，L为芯片的长度，投影长度wy应大于波导输出分支的间距w0，则第一凹槽距芯片输入端的临界位置l10为：所述第一凹槽中的分支波导外侧的两个凹槽用于阻隔辐射至质子交换区外侧的部分TM模式，防止经芯片端面反射后耦合入输出端。进一步，所述凹槽可以包括第二凹槽，所述第二凹槽根据光纤的数值孔径角机理，设置在多分支光波导的分叉支路的中间，以阻止TM辐射模式从位于分支波导中间的第一凹槽边缘发生衍射并传输至芯片的输出端。进一步，所述第二凹槽的位置具体由如下步骤确定：建立波导芯片的坐标系，根据从第一凹槽与分支波导中间部分向芯片输出端衍射的第一凹槽衍射光束，建立光线的数学函数方程：确定光束的交叉点a位置，其中，点(m1,n1)和点(m2,-n1)为两个输出端的坐标，w1为第一凹槽的分支波导中间凹槽的长度，x和y为建立的波导芯片坐标系中的点；根据输出光纤的孔径角范围，建立光纤收光边界的数学函数方程：确定收光边缘的交叉点b位置；第二凹槽位于两个交叉点a与b之间，其中，l<(b-a)，第二凹槽尽可能多的覆盖输出光纤的可耦合光范围，以阻挡TM辐射模式耦合入输出光纤，第二凹槽满足l2>le，l2为第二凹槽边缘距芯片输出端的距离，le为沉积在分支波导之间的推挽电极与芯片输出端的距离，第二凹槽的边缘与推挽电极的边缘距离本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，其特征在于，所述芯片的厚度为d，其中d>dmin，dmin为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δwmin等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值。

【技术特征摘要】
1.一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，其特征在于，所述芯片的厚度为d，其中d>dmin，dmin为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δwmin等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值。2.一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，其特征在于，所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。3.一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，其特征在于，所述芯片的厚度为d，其中d>dmin，dmin为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δwmin等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值；和所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。4.根据权利要求1或3所述的芯片，其特征在于，所述芯片厚度d具体由如下步骤确定：输出光纤的数值孔径NA为：NA＝nsinδ0(1)由等式(1)可以得到输出光纤的孔径角δ0为：δ0＝arcsin(NA/n)(2)根据反射定律，TM模式在芯片底面中心反射会形成最小入射角δwmin，其与芯片的厚度d关系为：其中，n为TM模式在芯片衬底中的折射率，L为芯片的长度，为了抑制经芯片底面反射的TM模式再耦合入输出光纤，需使得TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的TM模式的最小入射角δwmin大于输出光纤的孔径角δ0，即，在芯片的长度L一定的条件下，满足δwmin>δ0的芯片厚度d>dmin，其中：5.根据权利要求2或3所述的芯片，其特征在于，所述凹槽包括第一凹槽，所述第一凹槽根据光传输的光阑理论，设置在多分支光波导的分叉处以及与芯片端面平行的方向，使得输出光纤的集光区域位于由第一凹槽形成的光阑孔径处穿过的TM辐射模式的阴影区，第一凹槽包括由多分支光波导隔开的m段凹槽，其中，m＝M+1，M为多分支光波导的分支数。6.根据权利要求5所述的芯片，其特征在于，所述凹槽包括第二凹槽，所述第二凹槽根据光纤的数值孔径角机理，设置在多分支光波导的分叉支路的中间，以阻止TM...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋镜明，张春熹，刘嘉琪，于雪柯，吴春晓，宋凝芳，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11