一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，能够将任意偏振态光场锁定至任意所需偏振态光场。本控制器通过第一端面耦合结构将任意偏振态光场的光从单模光纤中经第一高数值孔径光纤耦合进芯片内；经第一偏振旋转分束器(PRS)后，进入芯片的TE0模和TM0模光场均转换为TE0模光场；采用波导0

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器


[0001]本专利技术涉及量子保密通信领域，特别是一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器。

技术介绍

[0002]连续变量量子保密通信系统采用时分复用，偏振复用技术将信号光场和本振光场在同一根长距离单模光纤中传输。传输时由于外界因素，温度，湿度等都会使单模光纤产生双折射效应，导致单模光纤中的偏振态发生变化。接收端Bob需要使用动态偏振控制器将两光场的偏振恢复并锁定至线偏振态。锁定后的两光场经偏振分束器后重新分为信号光场光路和本振光路。传统的偏振控制器有三环偏振控制器，电控偏振控制器等。这些偏振控制器通常体积较大，响应速率低，功耗高。
[0003]硅基光电子学兴起于二十世纪八十年代，通过利用硅基集成电路上的技术来设计、制造、封装光器件和光电集成电路，在集成度、可制造性和扩展方面达到集成电路水平，从而在成本、功耗、尺寸上取得突破。已有课题组基于硅基芯片展开了动态偏振控制器的研制，文献“Siliconphotonics integrated dynamic polarization controller.Chin.Opt.Lett.,041301,2022.”中用到的是波导0
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四个锁定结构，该文献使用了二维光栅来对单模光纤和硅基光电子芯片进行光场耦合，耦合损耗较大，致使系统对光场的探测效率降低，且未充分利用硅基光电子芯片上的热相移器可确定相位的特性，未采用在单独0
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结构下双相位同时控制的方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有的动态偏振控制器存在的问题，设计了一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，可将任意偏振态光场锁定至任意偏振态光场。该器件采用端面耦合技术和偏振旋转分束技术，可有效减少耦合损耗，实现偏振光场的低损耗分束和合束；采用阵列光纤耦合接口FA实现同侧端面耦合输入端口和输出端口，易于耦合及封装；基于硅基光电子芯片上电控移相器的等效波导0
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结构来实现无端偏振控制；具有低成本，低功耗，小体积等特点。为此，本专利技术提供了一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器。
[0005]为了能够达到上述技术方案理论分析以及实验验证的预期效果，本专利技术采用了以下技术方案：
[0006]一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，包括有硅基光电子芯片，所述硅基光电子芯片侧部连接有输入输出结构，所述硅基光电子芯片上分别设置有与输入输出结构的输入端连接的第一端面耦合结构和与输入输出结构的输出端连接的第二端面耦合结构，所述第一端面耦合结构与第二端面耦合结构之间依次连接有第一偏振旋转分束器、第一偏振控制结构、第二偏振控制结构、第三偏振控制结构、和第二偏振旋转分束器。
[0007]作为上述方案的进一步改进，所述输入输出结构包括阵列光纤FA端口、第一光纤连接头和第二光纤连接头，所述阵列光纤FA端口包括有作为输入端的第一高数值孔径光纤
和作为输出端的第二高数值孔径光纤，所述第一高数值孔径光纤一端与第一端面耦合结构连接，另一端通过单模光纤连接有第一光纤连接头，所述第二高数值孔径光纤一端与第二端面耦合结构连接，另一端通过单模光纤连接有第二光纤连接头。
[0008]作为上述方案的进一步改进，所述第一端面耦合结构和第二端面耦合结构均构造为梯形体端面耦合结构。
[0009]作为上述方案的进一步改进，所述第一偏振控制结构包括有第一电控相移器和第二电控相移器，所述第一电控相移器和第二电控相移器实现0
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偏振控制功能；所述第二偏振控制结构包括有第一50/50耦合器、第三电控相移器、第四电控相移器和第二50/50耦合器，所述第一电控相移器、第一50/50耦合器、第三电控相移器、第四电控相移器、第二50/50耦合器和第六电控相移器实现45
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偏振控制功能；所述第三偏振控制结构包括有第五电控相移器和第六电控相移器，第五电控相移器和第六电控相移器实现0
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偏振控制功能。
[0010]作为上述方案的进一步改进，第一电控相移器由第一焊盘和第二焊盘进行供电；第二电控相移器由第三焊盘和第二焊盘供电，第二焊盘为公共端；所述第三电控相移器由第四焊盘和第五焊盘供电；第四电控相移器由第六焊盘和第五焊盘供电，第五焊盘为公共端；所述第五电控相移器由第七焊盘和第八焊盘供电；第六电控相移器由第九焊盘和第八焊盘供电，第八焊盘为公共端。
[0011]作为上述方案的进一步改进，第一偏振旋转分束器由第一偏振旋转部分和第一偏振分束部分构成；所述第一偏振旋转部分由第一部分刻蚀波导和第一过渡波导前半部分构成；第一偏振分束部分由第一过渡波导后半部分和第一绝热波导构成；第二偏振旋转分束器由第二偏振分束部分和第二偏振旋转部分构成；第二偏振分束部分由第二过渡波导后半部分和第二绝热波导构成；第二偏振旋转部分由第二部分刻蚀波导和第二过渡波导前半部分构成。
[0012]作为上述方案的进一步改进，所述第一偏振控制结构和第二偏振控制结构之间连接有第一补偿波导，以保证从第一偏振分束器到第一50/50耦合器之间的波导长度相等；第二偏振控制结构和第二偏振旋转分束器之间连接有第二补偿波导，以保证从第二50/50耦合器到第二偏振分束器之间的波导长度相等。
[0013]一种应用基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器的控制方法，包括以下步骤：
[0014]步骤一：外界单模光纤中的任意偏振态光场经输入输出结构中的第一光纤连接头输入至第一高数值孔径光纤中进行模斑转换，模斑匹配后传输至第一端面耦合结构后，模斑进一步转换后传输至第一偏振旋转分束器中，进入第一偏振旋转分束器中的任意偏振态光场分为TM模式的基模光场TM0模和TE模式的基模光场TE0模，其中TM0模式光场经第一偏振旋转部分转化为TE模式的高阶模光场TE1模，TE0模式光场不发生转化；然后TE1模式光场和TE0模式光场进入到第一偏振分束部分中，TE0模式光场沿第一过渡波导输出且模式不发生转化，从第一偏振旋转分束器的第一过渡波导端口输出，TE1模式光场从第一过渡波导耦合至第一绝热波导中，从第一偏振旋转分束器的第一绝热波导端口输出，且模式转化为TE0，从第一偏振旋转分束器中输出两束偏振都为TE0模式的光；
[0015]步骤二：从第一偏振旋转分束器中输出的两束TE0模式的光场依次进入到第一偏振控制结构、第二偏振控制结构和第三偏振控制结构中；第一偏振控制结构、第二偏振控制结构、第三偏振控制结构均使用电控相移器来产生相位延迟量；
[0016]步骤三：经过三个偏振锁定结构后，从第三偏振控制结构中输出的两束TE0模式的光场进入到第二偏振旋转分束器中，从第六电控相移器中出来的光进入到第二过渡波导中，从第五电控相移器中出来的光进入到第二绝热波导中，第二过渡波导中TE0模式的光仍以TE0模式沿着第二过渡波导传输且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：包括有硅基光电子芯片(1)，所述硅基光电子芯片(1)侧部连接有输入输出结构(2)，所述硅基光电子芯片(1)上分别设置有与输入输出结构(2)的输入端连接的第一端面耦合结构(3)和与输入输出结构(2)的输出端连接的第二端面耦合结构(9)，所述第一端面耦合结构(3)与第二端面耦合结构(9)之间依次连接有第一偏振旋转分束器(4)、第一偏振控制结构(5)、第二偏振控制结构(6)、第三偏振控制结构(7)、和第二偏振旋转分束器(8)。2.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述输入输出结构(2)包括阵列光纤FA端口(10)、第一光纤连接头(13)和第二光纤连接头(14)，所述阵列光纤FA端口(10)包括有作为输入端的第一高数值孔径光纤(11)和作为输出端的第二高数值孔径光纤(12)，所述第一高数值孔径光纤(11)一端与第一端面耦合结构(3)连接，另一端通过单模光纤连接有第一光纤连接头(13)，所述第二高数值孔径光纤(12)一端与第二端面耦合结构(9)连接，另一端通过单模光纤连接有第二光纤连接头(14)。3.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述第一端面耦合结构(3)和第二端面耦合结构(9)均构造为梯形体端面耦合结构。4.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述第一偏振控制结构(5)包括有第一电控相移器(15)和第二电控相移器(16)，所述第一电控相移器(15)和第二电控相移器(16)可实现0
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偏振控制功能；所述第二偏振控制结构(6)包括有第一50/50耦合器(17)、第三电控相移器(18)、第四电控相移器(19)和第二50/50耦合器(20)，所述第一电控相移器(15)、第一50/50耦合器(17)、第三电控相移器(18)、第四电控相移器(19)、第二50/50耦合器(20)和第六电控相移器(22)可实现45
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偏振控制功能；所述第三偏振控制结构(7)包括有第五电控相移器(21)和第六电控相移器(22)，第五电控相移器(21)和第六电控相移器(22)可实现0
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偏振控制功能。5.根据权利要求书4所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述第一电控相移器(15)由第一焊盘(24)和第二焊盘(25)供电；第二电控相移器(16)由第三焊盘(23)和第二焊盘(25)供电，第二焊盘(25)为公共端；所述第三电控相移器(18)由第四焊盘(27)和第五焊盘(28)供电；第四电控相移器(19)由第六焊盘(26)和第五焊盘(28)供电，第五焊盘(28)为公共端；所述第五电控相移器(21)由第七焊盘(30)和第八焊盘(31)供电；第六电控相移器(22)由第九焊盘(29)和第八焊盘(31)供电，第八焊盘(31)为公共端。6.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：第一偏振旋转分束器(4)由第一偏振旋转部分(34)和第一偏振分束部分(35)构...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵倩如，王旭阳，李永民，贾雁翔，侯一卓，朱鑫怡，渠泽淇，杜月，
申请(专利权)人：合肥国家实验室，
类型：发明
国别省市：