基于硅光芯片的偏振测量系统及偏振测量方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于硅光芯片的偏振测量系统和偏振测量方法，偏振测量系统包括：硅光芯片以及光电探测器。硅光芯片包括：硅衬底；二氧化硅层，形成于硅衬底上；二维光栅耦合器，形成于二氧化硅层上；第一相位调制装置，形成于二氧化硅层上；第一多模干涉仪，形成于二氧化硅层上；第二相位调制装置，形成于二氧化硅层上；第二多模干涉仪，形成于二氧化硅层上；一维光栅耦合器，形成于二氧化硅层上。其中，硅光芯片用于将输入的目标光信号转换为偏振态光信号；光电探测器，用于对输出的光信号进行偏振态测量。本发明专利技术公开的基于硅光芯片的偏振测量系统在提高了偏振态测量速率的同时也保证光学元件具有较高的集成度。光学元件具有较高的集成度。光学元件具有较高的集成度。

【技术实现步骤摘要】
基于硅光芯片的偏振测量系统及偏振测量方法


[0001]本专利技术涉及集成光学领域，特别涉及一种基于硅光芯片的偏振测量系统及其偏振测量方法。

技术介绍

[0002]偏振态是光的重要性质之一，偏振态测量仪也是光学传感、光场调控、激光通信和量子密钥分发等领域中所需要的重要仪器。在相干光通信系统、偏振编码量子密钥分发系统中，需要实时测量信道引入的偏振态变化；在光纤传感系统中，通过测量偏振态的变化从而检测外界震动事件。
[0003]截止目前，大多数偏振测量设备一般利用极化片和波片实现偏振态测量。波片是利用晶体的双折射在快轴与慢轴之间引入相位差的光学器件。二分之一波片和四分之一波片可以分别在快轴与慢轴之间引入π/2和π/4的相位差。极化片用于线偏振光的生成和检偏。利用波片和极化片的组合就可以测量出任意光的偏振态。目前商用偏振测量设备一般可以分为两类：一类由一个旋转的四分之一波片、固定的极化片以及一个探测器构成；另一类由多个分束器、极化片、波片和探测器构成。其中，第一类器件相对较少，并且由于其受到机械转动结构的限制导致采样率一般在几百Hz左右；第二类器件采用分束器将待测光束分成多束分别测量各个偏振分量，采样率一般可达到MHz量级，但由于器件由较多设备组成导致体积较大。此外，基于铌酸锂薄膜的集成偏振测量装置通过薄膜铌酸锂工艺极大减小了设备体积，但由于铌酸锂薄膜的制备工艺复杂，成本较高且无法与现有CMOS工艺兼容，导致目前无法大规模生产。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术提供一种基于硅光芯片的偏振测量系统，通过硅光集成芯片工艺，将多个光栅耦合器、多个相位调制装置和多个多模干涉仪等结构集成到同一个芯片上。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的第一方面公开了一种基于硅光芯片的偏振测量系统，包括：硅光芯片，包括：硅衬底；二氧化硅层，形成于上述硅衬底上；二维光栅耦合器，形成于上述二氧化硅层上，适用于将接收的目标光信号分成第一偏振光信号以及偏振方向与上述第一偏振光信号的垂直的第二偏振光信号；第一相位调制装置，形成于上述二氧化硅层上，适用于对上述第一偏振光信号进行调制得到调制偏振光信号，上述调制偏振光信号和上述第二偏振光信号具有第一相位差；第一多模干涉仪，形成于上述二氧化硅层上，适用于使调制偏振光信号和上述第
二偏振光信号发生干涉得到第一干涉光信号，并且将上述第一干涉光信号分成第一子干涉光信号和第二子干涉光信号；第二相位调制装置，形成于上述二氧化硅层上，适用于对上述第一子干涉光信号进行调制得到调制干涉光信号，其中，上述调制干涉光信号与上述第二子干涉光信号具有第二相位差；第二多模干涉仪，形成于上述二氧化硅层上，适用于使上述调制干涉光信号和上述第二子干涉光信号发生干涉，得到第二干涉光信号；以及一维光栅耦合器，形成于上述二氧化硅层上，适用于传输上述第二干涉光信号至输出光纤；以及光电探测器，适用于对上述第二干涉光信号进行探测，得到探测电信号，探测电信号适用于以获取上述目标光信号的偏振状态。
[0006]根据本专利技术的实施例，上述探测电信号适用于获取上述目标光信号的偏振状态包括利用如下公式获取上述目标光信号的偏振状态：；其中，I1、I2、I3、I4为上述光电探测器进行四次探测得到的探测电信号，、、、为适用于表征上述目标光信号的偏振状态的目标光信号的斯托克斯参量；θ1为和I1对应的上述调制偏振光信号和上述第二偏振光信号之间的第一相位差、θ2为和I2对应的上述调制偏振光信号和上述第二偏振光信号之间的第一相位差，θ3为和I3对应的上述调制偏振光信号和上述第二偏振光信号之间的第一相位差，θ4为和I4对应的上述调制偏振光信号和上述第二偏振光信号之间的第一相位差，为和I1对应的上述调制干涉光信号与上述第二子干涉光信号之间的第二相位差，为和I2对应的上述调制干涉光信号与上述第二子干涉光信号之间的第二相位差，为和I3对应的上述调制干涉光信号与上述第二子干涉光信号之间的第二相位差，为和I4对应的上述调制干涉光信号与上述第二子干涉光信号之间的第二相位差。
[0007]根据本专利技术的实施例，上述第一相位调制装置包括并联设置的第一载流子耗尽型调制器和第二载流子耗尽型调制器，上述第一载流子耗尽型调制器、上述第二载流子耗尽型调制器和上述第一多模干涉仪构成臂长相等的第一马赫
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曾德尔干涉仪结构；其中，上述第一载流子耗尽型调制器适用于对上述第一偏振光信号进行调制，得到上述调制偏振光信号。
[0008]根据本专利技术的实施例，上述第二相位调制装置包括并联设置的第三载流子耗尽型调制器和第四载流子耗尽型调制器，上述第三载流子耗尽型调制器、上述第四载流子耗尽型调制器和上述第二多模干涉仪构成臂长相等的第二马赫
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曾德尔干涉仪结构；其中，上述第三载流子耗尽型调制器适用于对上述第一子干涉光信号进行调制，得到上述调制干涉光信号。
[0009]根据本专利技术的实施例，上述第一载流子耗尽型调制器、上述第二载流子耗尽型调
制器、上述第三载流子耗尽型调制器和上述第四载流子耗尽型调制器的具有相同的调制器结构；上述调制器结构包括：P型掺杂区和N型掺杂区，上述P型掺杂区和上述N型掺杂区对接形成脊形结构。
[0010]根据本专利技术的实施例，上述二维光栅耦合器和上述第一相位调制装置之间、上述第一相位调制装置和上述第一多模干涉仪之间、上述第一多模干涉仪和上述第二相位调制装置之间、上述第二相位调制装置和上述第二多模干涉仪之间均利用波导连通。
[0011]根据本专利技术的实施例，上述偏振测量系统，还包括：驱动模块，适用于驱动上述第一相位调制装置、上述第二相位调制装置和上述光电探测器；输入光纤，适用于将上述目标光信号输入至上述二维光栅耦合器。
[0012]根据本专利技术的实施例，上述第一多模干涉仪和上述第二多模干涉仪结构具有相同的干涉仪结构，上述干涉仪结构包括：模场干涉区，截面为长方形；模斑转换区，位于上述模场干涉区相对的两端。
[0013]根据本专利技术的实施例，上述第一多模干涉仪的分光比为50：50，上述第二多模干涉仪的分光比为50：50。
[0014]本专利技术的第二方面公开了一种利用上述偏振测量系统进行测量的偏振测量方法，包括：步骤A：利用二维光栅耦合器将接收的目标光信号分成第一偏振光信号和偏振方向与上述第一偏振光信号垂直的第二偏振光信号；步骤B：利用第一相位调制装置接收上述第一偏振光信号和上述第二偏振光信号，并对上述第一偏振光信号进行调制，得到调制偏振光信号；其中，上述调制偏振光信号和上述第二偏振光信号具有第一相位差；步骤C：利用第一多模干涉仪使调制偏振光信号和第二偏振光信号发生干涉得到第一干涉光信号，并且将上述干涉光信号分成第一子干涉光信号和第二子干涉光信号；步骤D：利用第二相位调制装置接收上述第一子干涉光信号和第二子干涉光信号，并对上述第一子干涉光信号进行调制得到调制干涉光信号，其中，上述调制干涉光信号与上述第二子干涉光信号具有第二相位差；步骤E：利用第二多模干涉仪使上述调制干涉光信号和上述第二子干涉光信号发生干本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅光芯片的偏振测量系统，其特征在于，包括：硅光芯片，包括：硅衬底；二氧化硅层，形成于所述硅衬底上；二维光栅耦合器，形成于所述二氧化硅层上，适用于将接收的目标光信号分成第一偏振光信号以及偏振方向与所述第一偏振光信号垂直的第二偏振光信号；第一相位调制装置，形成于所述二氧化硅层上，适用于对所述第一偏振光信号进行调制得到调制偏振光信号，所述调制偏振光信号和所述第二偏振光信号具有第一相位差；第一多模干涉仪，形成于所述二氧化硅层上，适用于使调制偏振光信号和所述第二偏振光信号发生干涉得到第一干涉光信号，并且将所述第一干涉光信号分成第一子干涉光信号和第二子干涉光信号；第二相位调制装置，形成于所述二氧化硅层上，适用于对所述第一子干涉光信号进行调制得到调制干涉光信号，其中，所述调制干涉光信号与所述第二子干涉光信号具有第二相位差；第二多模干涉仪，形成于所述二氧化硅层上，适用于使所述调制干涉光信号和所述第二子干涉光信号发生干涉，得到第二干涉光信号；以及一维光栅耦合器，形成于所述二氧化硅层上，适用于传输所述第二干涉光信号至输出光纤；以及光电探测器，适用于对所述第二干涉光信号进行探测，得到探测电信号，所述探测电信号适用于获取所述目标光信号的偏振状态。2.根据权利要求1所述的偏振测量系统，其特征在于，所述探测电信号适用于获取所述目标光信号的偏振状态包括利用如下公式获取所述目标光信号的偏振状态：；其中，I1、I2、I3、I4为所述光电探测器进行四次探测得到的探测电信号，、、、为适用于表征所述目标光信号的偏振状态的目标光信号的斯托克斯参量；θ1为和I1对应的所述调制偏振光信号和所述第二偏振光信号之间的第一相位差，θ2为和I2对应的所述调制偏振光信号和所述第二偏振光信号之间的第一相位差，θ3为和I3对应的所述调制偏振光信号和所述第二偏振光信号之间的第一相位差，θ4为和I4对应的所述调制偏振光信号和所述第二偏振光信号之间的第一相位差，为和I1对应的所述调制干涉光信号与所述第二子干涉光信号之间的第二相位差，为和I2对应的所述调制干涉光信号与所述第二子干涉光信号之间的第二相位差，为和I3对应的所述调制干涉光信号与所述第二子干涉光信号之间的第二相位差，为和I4对应的所述调制干涉光信号与所述第二子干涉光信号之间的第二相位差。3.根据权利要求1所述的偏振测量系统，其特征在于，所述第一相位调制装置包括并联设置的第一载流子耗尽型调制器和第二载流子耗尽型调制器，所述第一载流子耗尽型调制
器、所述第二载流子耗尽型调制器和所述第一多模干涉仪构成臂长相等的第一马赫
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曾德尔干涉仪结构；其中，所述第一载流子耗尽型调制器适用于对所述第一偏振光信号进行调制，得到所述调制偏振光信号。4.根据权利要求3所述的偏振测量系统，其特征在于，所述第二相位调制装置包括并联设置的第三载流子耗尽型调制器和第四载流子耗尽型调制器，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈召远，王宇昂，李杨，蔡文奇，杨孟，廖胜凯，印娟，任继刚，彭承志，潘建伟，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
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