一种基于铌酸锂薄膜波导的偏振无关双向调制器及调制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的偏振无关双向调制器及调制方法，属于微波光子领域和光学微纳加工领域。为了解决在基于不等臂干涉的量子密钥分发系统中，量子密钥成码速率受到偏振无关调制器的双向调制速率，和基于光纤熔接方式的不等臂干涉延时的限制问题，本发明专利技术将铌酸锂薄膜双向调制器上的光学端面和一面镀高反膜的法拉第旋转镜贴合在一起，使通过光纤传入调制器的光经过双向调制器后进入法拉第旋转镜，通过法拉第旋转镜改变光的偏振方向，使光偏振旋转90

【技术实现步骤摘要】
一种基于铌酸锂薄膜波导的偏振无关双向调制器及调制方法


[0001]本专利技术涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的偏振无关双向调制器及调制方法，属于微波光子集成领域、光学微纳加工领域和量子通讯领域。

技术介绍

[0002]微波光子学是一门融合了微波技术和光子技术的交叉学科，是研究光波和微波在媒质中的相互作用以及在光频域实现微波信号的产生、处理、传输及接收的微波光波融合系统。微波光子集成致力于研发宽带微波光子信号产生、传输、处理、接收的核心光电芯片与集成模块，提供小尺寸、低功耗、阵列化以及快速可重构智能化的微波光子系统实施方案，是微波光子学走向全面实用化的关键，也将成为未来空天地信息一体化网络、下一代宽带无线接入网以及雷达、电子对抗系统等的硬件基础和核心技术。
[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。目前人们已经在铌酸锂纳米薄膜制备、集成光子电路、超构表面等方面的研究取得突破，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。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，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，以及基于光纤熔接方式的不等臂干涉延时限制了量子密钥成码速率。

技术实现思路

为了提高量子密钥成码速率，本专利技术提供了一种基于铌酸锂薄膜波导的偏振无关双向调制器及调制方法，来实现光的偏振旋转以及偏振传输的补偿，基于铌酸锂薄膜材料实现高速率的双向调制器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偏振无关双向调制器及调制方法，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，向法拉第旋转镜的方向传输，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。在相位调制器的的另一端光学端面贴合法拉第旋转镜，入射光从光波导出射后直接进入法拉第旋转镜，法拉第旋转镜包含45
°
法拉第旋转器和高反膜，法拉第旋转器把光旋转45
°
，光经过法拉第旋转器遇到法拉第旋转镜的高反膜后再反射回去，经过法拉第旋转器时再旋转45
°
，最后返回波导时一共偏振旋转了90
°
，改变了入射光的方向，实现了TM模和TE模的模式互换，实现偏振无关的双向相位调制，且法拉第旋转镜与相位调制器光学端面直接贴合，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。所述法拉第旋转镜包含45
°
法拉第旋转器以及高反膜，光经过一次偏振旋转45
°
。所述高反膜为法拉第旋转镜的组成部分，使入射光反射从而返回光波导。所述两个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薄膜铌酸锂相位调制器的光学端面贴合的法拉第旋转镜后偏振旋转90
°
，TE模与TM模互换，实现偏振无关的相位调制。本专利技术能够使入射光偏振旋转90
°
，使TM模与TE模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光在法拉第旋转镜和铌酸锂相位调制器之间的来回传输的双向调制，提高器件集成度以及调制器的调制带宽，降低不等臂延时差，从而可以提升量子密钥分发系统的速率，进一步提升量子密钥成码速率。此外，铌酸锂波导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。本专利技术基于铌酸锂薄膜材料能够实现高速率的双向调制器和低延时波导，从而提升了量子密钥分发系统的速率。
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是法拉第旋转镜内部构造及光在法拉第旋转镜内的光路和模式转换表示图；图中，1、光纤，2、铌酸锂薄膜光波导，3、行波电极，4、法拉第旋转镜
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和图2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、法拉第旋转镜4；所述的薄膜铌酸锂基底为x切或z切铌酸锂；所述的行波电极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；所述的法拉第旋转镜4是贴合在双向相位调制器的光学端面的；所述的高反膜和45
°
法拉第旋转器是法拉第旋转镜4的内部组成部分，入射光进入
法拉第旋转镜4中的45
°
法拉第旋转器后被偏振旋转45
°
，遇到反射膜再被反射回法拉第旋转镜4中的45
°
法拉第旋转器内；所述的光信号在经历两次45
°
法拉第旋转器后一共偏振旋转90
°
再返回铌酸锂薄膜光波导2中；铌酸锂薄膜光波导2的中心波长为1550nm，长度为1.2cm，行波电极3的长度为1cm，中心电极宽度10μm，电极间距4μm，二氧化硅包层200nm，高反射膜波长为1550nm。铌酸锂薄膜光波导2和行波电极3组成双向调制的铌酸锂相位调制器，所述铌酸锂基底上设置的行波电极3的信号电极与接地电极之间留有间隔，行波电极沿光波导轴向排列，行波电极的微波信号与光波传输方向相同，行波电极结构可以实现高带宽调制器，广泛应用在高速调制器中。减小电极间隙可以减小调制电压，但会增加电极损耗。行波电极的阻抗与单位长度电容有关，通过优化电极宽度和电极间隙可以获得50Ω阻抗。为了避免微波反射，需要进行阻抗匹配，即行波电极特性阻抗要接近50Ω负载阻抗，行波电极的特性阻抗Z0为为式中R、L、G、C分别为行波电极的等效电阻、电感、电导和电容。调制器的调制带宽上限取决于微波在电极中速度和光波在波导中速度的匹配程度，如果微波在电极中的速度等于光波在波导中的速度，则理论上可以达到无限大的带宽，通过优化电极厚度和倾斜角度、增加覆盖层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偏振无关双向调制器，包括光纤(1)，铌酸锂薄膜光波导(2)，行波电极(3)，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)包括一条信号电极、一条接地电极以及两个电极焊盘，一个电极焊盘与一个电极相连，其特征在于：每个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)的两条电极平行放置于铌酸锂薄膜光波导(2)的两侧；在双向相位调制器的另一个端面设置了法拉第旋转镜(4)，法拉第旋转镜(4)用于将入射光光轴偏振旋转90
°
后传输回双向相位调制器，使TM模与TE模互换实现偏振无关，且双向相位调制器进行两次相位调制。2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的偏振无关双向调制器，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偏振无关双向调制器，其特征在于：法拉第旋转镜(4)依次包含45
°
法拉第旋转器和高反膜。4.根据权利要求3所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的偏振无关双向调制器，其特征在于：所述45
°
法拉第旋转器用于把光轴旋转45
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【专利技术属性】
技术研发人员：杨登才，李子琰，王智勇，杨锋，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：