【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，属于集成光子器件、光学微纳加工领域和量子通讯领域。
技术介绍
1、铌酸锂是一种人工合成的负单轴晶体，其物理和化学性质稳定，吸收损耗低，具有较宽的透明窗口(0.45～5.5μm)、适中的折射率、较大的线性电光系数(30pm/v)、较好的温度稳定性和较低的热光系数，几十年来一直是制备高性能高速电光器件的首选材料。铌酸锂晶体的电相会随着温度的改变而改变。当铌酸锂晶体所处的温度高于居里温度，晶体中无自发极化，呈顺电相；当铌酸锂晶体所处的温度低于居里温度，晶体的弹性力起主导作用，产生自发极化，呈铁电相。传统铌酸锂制备工艺所具有的体积大、成本高的缺陷，在薄膜铌酸锂(lithiμm niobate on insulator,lnoi)技术出来后得到了完美的解决，随着大带宽调制、功耗低及与cmos电路兼容驱动电压的器件得到实现，各项研究工作正在逐步从传统铌酸锂体器件向薄膜铌酸锂材料器件的研究过渡。
2、近几年来，随着薄膜离子切片和微纳器件制备工艺的成熟，薄膜铌酸锂为铌酸锂(lithiμm niobate，ln)材料调制器的小型化集成化及性能的进一步提升提供了无限可能。波导是铌酸锂薄膜片上光子器件的基础结构。目前在lnoi材料上制备波导的工艺方法有很多种，主要方法有：质子交换、精密机械加工、湿法腐蚀、干法刻蚀以及加载条型波导制备等。目前被广泛应用的波导结构主要分为两种，一种是对铌酸锂薄膜直接进行干法刻蚀得到铌酸锂脊型波导，该类型的波导性能主要受刻蚀工艺水平的影响，刻蚀出的波
3、近年来，量子通信由于其传输信息高度的安全性受到广泛关注。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。在相位编码型qkd系统中，主要应用电光调制方式改变光子相位以实现相位编码方案。其中铌酸锂是制作qkd系统中相位调制器的常用材料。在相位编码qkd系统中，传输的光信号的偏振状态的变化会对qkd系统中秘钥分发产生严重的影响。基于法拉第——迈克尔逊(f-p)干涉仪的量子秘钥分发系统能够免受光纤双折射效应引起的偏振态扰动的影响，具有较好的稳定性，因此成为了一种很重要的实用化qkd系统。铌酸锂电光调制器在该系统中起到调节相位的作用，实现光信号的相位编码功能。在基于f-p不等臂干涉的量子密钥分发系统中，偏振无关调制器的双向调制速率以及调制输出与偏振旋转器之间的光纤熔接长度导致的延时限制了量子密钥成码速率。基于铌酸锂薄膜材料设计片上偏振无关双向相位调制器能够实现高速率的双向调制，可以大大提高系统的集成度，也能提高干涉环的双臂精度，从而有效地提升量子密钥分发系统的速率和成码率。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关磁光双向相位调制器，通过设计磁光波导以及磁光结构，形成基于铌酸锂薄膜波导的片上旋转结构，通过改变沉积磁光结构的钇铁石榴石(yig)与掺铈钇铁石榴石(ce:yig)材料的厚度与位置，来控制光信号在不同输入光信号模式下的偏转角度，在经过波导后端的高反射膜反射后，光信号往返共偏振旋转90°，实现te与tm模式的互换。从而实现片上偏振无关的双向相位调制，以及较高的片上集成度，应用于量子系统中，提升量子密钥分发速率以及干涉结构的精度，解决量子密钥分发系统中量子密钥成码速率受限的问题。
2、为解决上述的技术问题，本专利技术的技术方案具体如下：
3、本专利技术提供了一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关磁光双向相位调制器，在铌酸锂薄膜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结构相同且平行放置在光波导两侧，且距离光波导的间隙相同，射频信号从两侧的电极焊盘进入电极中，分别向两端传输，光信号从光纤进入相位调制器的调制光波导内，受到加载射频信号的调制，进入磁光波导内，施加一个单向磁场，在磁光结构中所沉积的钇铁石榴石(yig)与掺铈钇铁石榴石(ce:yig)材料的作用下光信号发生45°偏转，在经过波导后端的高反射膜时反射回磁光波导中，在磁光结构的作用下再次发生45°偏转，从而偏振旋转90°实现te、tm模式互换再进入调制光波导中再次接受调制，该结构设计大大提高了器件的片上集成度、铌酸锂调制器的调制速率、实现偏振无关的相位调制减少偏振损耗，提高了量子密钥分发系统的分发速率、干涉环精度以及成码率。
4、所述的铌酸锂基底为x切或z切铌酸锂。
5、所述行波电极材料为金。
6、所述电极与铌酸锂薄膜衬底之间设有二氧化硅缓冲层。
7、所述包含非球面平凸透镜和毛细玻璃管，对波导光斑进行扩束准直，与旋光晶体的光场之间实现模场匹配。
8、所述磁光波导具备磁光偏转效应是因为磁光结构产生的作用，光经过一次旋光晶体光轴偏振旋转45°。
9、所述高反射膜使入射光反射再次经过磁光结构，光轴偏振旋转90°后返回光波导。
10、所述信号电极与接地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。
11、所述磁光结构包含两种设计，输入光信号为te模式时，磁光材料沉积在磁光波导一侧，输入光信号为tm模式时，磁光材料沉积在磁光波导顶端，光两次经过磁光波导与磁光结构后，光轴偏振旋转90°，te模与tm模互换，实现偏振无关的相位调制。
12、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：能够实现使光信号在片上偏振旋转90°，使tm模与te模实现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旋光晶体和铌酸锂相位调制器之间的往返传输的双向调制，通过磁光结构的磁光材料沉积厚度以及沉积位置作用的设计得到所需要的法拉第旋角，以端面镀膜的形式实现片上光信号的双向传输，大大提高了器件集成度以及调制器的调制带宽，降低量子密钥分发系统中干涉环不等臂的延时差，提升干涉换精度，进一步提高量子密钥成码速率。
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1.一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，包括光纤(1)，调制光波导(2)、行波电极(3)、磁光波导(4)和高反射膜(5)，光纤(1)用于将光信号导入以及导出相位调制器中；所述调制光波导(2)、行波电极(3)和磁光波导(4)均形成于薄膜铌酸锂基底上，其特征在于：光信号由光纤(1)进入调制光波导(2)中，在行波电极(3)的作用下受到传输方向一致的射频信号的调制，之后光信号进入磁光波导(4)中受磁光结构(9)的影响形成偏振态旋转，在调制光波导(2)之后的磁光波导(4)是由磁光材料组成的结构，实现光信号在此结构中偏振旋转45°的作用，而光信号出射后在波导端面的高反射膜(5)作用下反射回磁光波导(4)中，在磁光结构(9)的作用下，光信号的光轴再次偏振旋转45°进入调制光波导(2)中并受电极作用再次实现电光调制，至此光信号偏振态一共偏振旋转90°，受电极调制两次形成双向相位调制。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，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
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：磁光波导(4)包含的磁光结构(9)为在铌酸锂薄膜光波导上沉积钇铁石榴石与掺铈钇铁石榴石材料实现磁光偏转45°。
5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：所述光信号在通过磁光波导(4)后会经过高反射膜(5)的反射再次返回铌酸锂薄膜光波导中，光信号受到磁光结构(9)的两次偏振旋转，使得偏振光信号的偏振态旋转90°后再次进入由调制光波导(2)和行波电极(3)组成的光信号调制区中，实现双向的相位调制后输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：调制光波导(2)的中心波长为1520nm-1580nm，长度为0.7cm-1cm，波导宽度为0.8μm-1.4μm；磁光波导(4)的长度为0.7mm-1.2mm，宽度0.8μm-1.4μm；磁光结构(9)的长度为10μm-15μm，宽度3μm-5μm，厚度100nm-300nm，信号电极(6)和接地电极(7)的长度为0.5-0.8cm，电极宽度10μmμm-30μm，电极厚度0.8μm-1.5μm，信号电极(6)和接地电极(7)距离波导的间距为3μm-6μm，光波导之上的二氧化硅包层厚度为200nm-300nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：高反射膜(5)中心波长为1520nm-1580nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：磁光结构(9)包含两种模式结构，在输入光为TE模式时，磁光结构(9)的结构模式为沉积的钇铁石榴石与掺铈钇铁石榴石材料在磁光波导(4)的一侧；当输入光为TM模式时，磁光结构(9)的结构模式为钇铁石榴石与掺铈钇铁石榴石材料沉积在磁光波导(4)的顶端。
9.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：所述调制光波导(2)与磁光波导(4)均是铌酸锂薄膜光波导，宽度与高度相同。
10.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：
...【技术特征摘要】
1.一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，包括光纤(1)，调制光波导(2)、行波电极(3)、磁光波导(4)和高反射膜(5)，光纤(1)用于将光信号导入以及导出相位调制器中；所述调制光波导(2)、行波电极(3)和磁光波导(4)均形成于薄膜铌酸锂基底上，其特征在于：光信号由光纤(1)进入调制光波导(2)中，在行波电极(3)的作用下受到传输方向一致的射频信号的调制，之后光信号进入磁光波导(4)中受磁光结构(9)的影响形成偏振态旋转，在调制光波导(2)之后的磁光波导(4)是由磁光材料组成的结构，实现光信号在此结构中偏振旋转45°的作用，而光信号出射后在波导端面的高反射膜(5)作用下反射回磁光波导(4)中，在磁光结构(9)的作用下，光信号的光轴再次偏振旋转45°进入调制光波导(2)中并受电极作用再次实现电光调制，至此光信号偏振态一共偏振旋转90°，受电极调制两次形成双向相位调制。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，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片上偏振无关相位调制器，其特征在于：行波电极(3)包含信号电极(6)、接地电极(7)以及两个电极焊盘(8)；一个电极焊盘与一个电极相连，其特征在于：信号电极(6)和接地电极(7)平行放置于调制光波导(2)的两侧，电极焊盘(8)位于对应电极的中部，使光信号受到传输方向一致的射频信号的调制。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：磁光波导(4)包含的磁光结构(9)为在铌酸锂薄膜光波导上沉积钇铁石榴石与掺铈钇铁石榴石材料实现磁光偏转45°。
5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的片上偏振无关相位调制器，其特征在于：所述光信号在通过磁光波...
【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：
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