高偏振消光比鈮酸鋰波導調(diào)制器光路設計

張威　陳抱雪

摘要：

設計了一種新的光路結(jié)構(gòu)，用于提高LiNbO3波導相位調(diào)制器的偏振消光比。光路特點是，在質(zhì)子交換波導3 dB功分器的輸入端同基構(gòu)造了TiLiNbO3波導模式分離定向耦合的結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)TE導模與TM模分離，Y分支波導位置下沉以避免前向TM輻射模的竄擾。效果表現(xiàn)為，與保偏光纖端耦合寄生的TM輻射模得到了有效抑制，寄生的TM導模被定向疏散。1 550 nm波長的BPM仿真運行表明，設計光路的偏振消光比達到87 dB以上。

關(guān)鍵詞：

光波導技術(shù)； LiNbO3波導相位調(diào)制器； 偏振消光比； 同基集成

中圖分類號： TN 256文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.04.011

Abstract：

A new optical structure is designed to improve the polarization extinction ratio of LiNbO3 waveguide phase modulator.At the input of the 3 dB power divider of the proton exchange waveguide，there is a TiLiNbO3 waveguide mode separation directional coupler with the base structure for the separation of TE mode and TM mode.Ybranch waveguide is sunk to avoid scrambling of the forward TM radiation mode.The parasitic TM radiation mode with polarizationmaintaining fiber is effectively suppressed and the parasitic TM guided mode is evacuated.The BPM simulation of 1 550 nm wavelength shows that the polarization extinction ratio of the designed optical path is more than 87 dB.

Keywords：

optical waveguide technology； LiNbO3 waveguide phase modulator； polarization extinction ratio； integration with group

引言

光纖陀螺作為一種高精度的慣性測量器件，在國防和國民經(jīng)濟建設中有著廣泛的應用[12]。其核心器件質(zhì)子交換LiNbO3波導相位調(diào)制器對于光纖陀螺的精度和穩(wěn)定性起著關(guān)鍵的作用。光纖陀螺中雙折射引起的相干偏振誤差不僅依賴于光纖的保偏特性，還與LiNbO3波導分光光路的偏振濾波性能有關(guān)，因為保偏光纖與LiNbO3對接耦合時寄生的交叉偏振態(tài)與主波信號相干，會造成傳感誤差[34]。高精度光纖陀螺對LiNbO3波導器件的偏振消光比提出高于80 dB的要求[5]，盡管質(zhì)子交換技術(shù)制備的LiNbO3波導有很高的偏振度，但組裝尾纖的波導器件的偏振消光比一般在50～55 dB的水平[6]。對于組裝尾纖的波導，因其尾纖與LiNbO3波導的模場不匹配，輸入端對接耦合時激發(fā)交叉偏振的輻射模，在輸出端發(fā)生再耦合劣化了器件的偏振消光比。已見報道的改善方法有兩種：一種是在LiNbO3襯底下表面涂覆吸光材料，阻止基板輻射模的反射[79]，這種方法簡單便宜，但無法阻斷前向輻射模，偏振消光比在60 dB的水平；另一種方法比較復雜，先沿垂直于輸入直波導方向橫刀切開，然后在切斷面上選擇性蒸鍍金屬膜，除了極小的、含有波導通道的截面被留白以外，其余被金屬薄膜遮蔽，最后把切下的那段波導通過精密調(diào)芯和粘結(jié)固化重新對接裝回[1011]，這種方法可以大幅截斷前向輻射模，偏振消光比達到了85 dB，但是該方法添加的工藝過程過于復雜，制作成本高。

為了解決上述問題，本文設計了一種新的波導光路結(jié)構(gòu)，在輸入端導入了TiLiNbO3波導的模式分離定向耦合器。TiLiNbO3波導支持正交的兩種偏振導模，可以有效緩解端面耦合寄生偏振輻射模的發(fā)生，寄生的偏振導模則通過定向耦合器被引走。波導的分光光路由質(zhì)子交換波導同基構(gòu)成，對于工作偏振態(tài)的導波，質(zhì)子交換和Ti擴散的LiNbO3單模波導的基模模場分布十分接近，彼此對接引入的輻射?？梢缘玫接行б种?。BPM仿真運行表明，本設計光路的偏振消光比達到87 dB以上。另外，質(zhì)子交換的溫度遠低于Ti擴散的溫度，兩種工藝可以在同一LiNbO3基板上分區(qū)分時實施[12]，由于同屬成熟工藝，成本有效得到了控制。

1光路結(jié)構(gòu)和工作原理

用于構(gòu)造高偏振消光比LiNbO3波導相位調(diào)制器的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，基板是x切y傳LiNbO3襯底，區(qū)域1是一個偏振分離的定向耦合結(jié)構(gòu)，采用TiLiNbO3單模波導來構(gòu)成。區(qū)域2是3 dB分光光路，采用質(zhì)子交換LiNbO3單模波導來構(gòu)成。波導制備仿真采用了OPTIWAVE公司的BPM軟件中的專用模塊，鈦擴散工藝仿真的設定條件是：鈦模厚度和寬度分別為100 nm和4 mm，擴散溫度和時間分別是1 050 ℃和2.5 h。質(zhì)子交換工藝仿真的設定條件是：質(zhì)子源為稀釋苯甲酸，H+的質(zhì)量分數(shù)為16%，開窗寬度為4 mm，交換溫度和時間分別是250 ℃和4 h，退火溫度和時間分別是400 ℃和2 h。工藝仿真得到的均為單模波導，其中質(zhì)子交換波導顯示單偏振特性，只支持TE導模。圖2是兩種波導的TE基模的模場分布，波長是1 550 nm，顯示表明TiLiNbO3與質(zhì)子交換波導具有良好的匹配效果。BPM運行表明，兩根波導的對接耦合效率達到99.93%，耦合損耗為0.003 dB，其中部分損耗源于端面耦合激發(fā)了TM前向輻射模。endprint

盡管LiNbO3波導相位調(diào)制器的尾纖采用單模保偏光纖，但是保偏光纖與光源的對接耦合很難完全杜絕TM模，加上尾纖與LiNbO3波導的偏振軸對準誤差以及模場的不匹配，都會導致輸入端對接耦合時激發(fā)TM輻射模。本文設計的光路在輸入一側(cè)采用TiLiNbO3單模波導，目的是可以有效激發(fā)TM導模從而抑制TM輻射模。TiLiNbO3波導與單模保偏光纖端面耦合的仿真運行顯示：TM模輸入時，轉(zhuǎn)化為Ti擴散波導TM導模的耦合效率達97.50%，而質(zhì)子交換波導的耦合效率近乎為零；改為TE模輸入時，與轉(zhuǎn)化為TE導模的耦合效率比較接近，前者是98.08%，后者是97.82%，部分所余轉(zhuǎn)化為TM輻射模?？梢姡谳斎胍粋?cè)采用Ti擴散波導，十分有利于遏制尾纖中TM導模成分向波導TM輻射模的轉(zhuǎn)化。對于TE模，兩種波導的效果不相上下，模場失配均會激發(fā)含TM成分的前向輻射模。BPM仿真運行顯示，前向輻射模的輻射半角約為0.58°，為了避開輻射模的輻照，將波導輸出端做了圖1所示的必要下移。

由于Ti擴散波導同時傳輸兩種偏振態(tài)的導模以及TiLiNbO3波導的折射率各向異性，區(qū)域1的定向耦合器被設計成具有偏振分離的效果。定向耦合器由兩根平行靠近的直波導構(gòu)成，耦合系數(shù)與一對偶對稱和奇對稱模的傳播常數(shù)be和bo的差值成正比，（be-bo）不僅與一對直波導之間的間距有關(guān)，還因折射率各向異性賦予了TE模和TM模不同的數(shù)值。利用TE模和TM模具有不同耦合系數(shù)的特點，調(diào)整一對直波導的長度和間隔，可以把兩個模式按圖1所示那樣分離。圖3給出了BPM仿真運行的結(jié)果，定向耦合器的一對直波導的長度和中心間距分別是864 mm和6.5 mm，圖3（a）和（b）分別是TE和TM模的傳輸結(jié)果，TE模的平行耦合和交叉耦合效率分別是0.40%和99.56%，TM模的平行耦合和交叉耦合效率分別是99.80%和0.06%，顯示了很好的偏振分離。

區(qū)域2的質(zhì)子交換LiNbO3 3 dB分光光路，采用常規(guī)Y分支波導來構(gòu)成。Y分叉點較輸入波導位置下沉250 mm，兩根輸出直波導的長度和芯中心間距分別是5 mm和127 mm，以備薄膜電極制備和光纖列陣對接，波導芯片總長是15.6 mm。質(zhì)子交換LiNbO3波導具備很好的單偏振特性，通過位置下沉避免前向TM輻射模的竄擾是本結(jié)構(gòu)設計的重點之一。

2設計結(jié)果

設計結(jié)果用BPM仿真運行來驗證。圖4給出了仿真的光路結(jié)構(gòu)和運行效果，光波導的輸入端與單模保偏光纖對接耦合，仿真波長是1 550 nm。圖4（a）和（b）分別是TE模和TM模的運行結(jié)果，輸入光功率做了歸一化。對于TE模傳輸，Y分支的上下兩個輸出端的歸一化輸出功率分別是49.75%和49.72%，插入損耗分別為3.032 dB和3.034 dB，顯示了很低的損耗和良好的功分特性。對于TM模傳輸，器件上部直波導輸出端的歸一化輸出功率是99.60%，Y分支的上下兩個輸出端的歸一化輸出功率分別是1.96×10-7%和1.02×10-7%，對TM偏振的消光比分別達到87.07 dB和89.92 dB。這些結(jié)果表明，器件達到了很好的設計效果，對TE模有良好的傳輸和分光特性，對TM模具有高達87 dB以上的消光比。

3結(jié)論

開發(fā)設計了一種新的光路結(jié)構(gòu)，用于改善LiNbO3波導相位調(diào)制器的偏振消光比。光路設計的特點是，在質(zhì)子交換波導3 dB功分器的輸入端，同基構(gòu)造了TiLiNbO3波導模式分離定向耦合結(jié)構(gòu)。設計效果體現(xiàn)為：與保偏光纖端耦合寄生的TM輻射模得到了有效抑制，寄生的TM導模被定向疏散。1 550 nm波長的BPM仿真運行結(jié)果顯示，本設計光路的偏振消光比達到87 dB以上，具有潛在的應用價值。

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（編輯：劉鐵英）endprint