張威　陳抱雪

摘要：

設(shè)計(jì)了一種新的光路結(jié)構(gòu)，用于提高LiNbO3波導(dǎo)相位調(diào)制器的偏振消光比。光路特點(diǎn)是，在質(zhì)子交換波導(dǎo)3 dB功分器的輸入端同基構(gòu)造了TiLiNbO3波導(dǎo)模式分離定向耦合的結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)TE導(dǎo)模與TM模分離，Y分支波導(dǎo)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(dǎo)模被定向疏散。1 550 nm波長(zhǎng)的BPM仿真運(yùn)行表明，設(shè)計(jì)光路的偏振消光比達(dá)到87 dB以上。

關(guān)鍵詞：

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

中圖分類號(hào)： TN 256文獻(xiàn)標(biāo)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(cè)量器件，在國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用[12]。其核心器件質(zhì)子交換LiNbO3波導(dǎo)相位調(diào)制器對(duì)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(dǎo)分光光路的偏振濾波性能有關(guān)，因?yàn)楸Ｆ饫w與LiNbO3對(duì)接耦合時(shí)寄生的交叉偏振態(tài)與主波信號(hào)相干，會(huì)造成傳感誤差[34]。高精度光纖陀螺對(duì)LiNbO3波導(dǎo)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(dǎo)有很高的偏振度，但組裝尾纖的波導(dǎo)器件的偏振消光比一般在50～55 dB的水平[6]。對(duì)于組裝尾纖的波導(dǎo)，因其尾纖與LiNbO3波導(dǎo)的模場(chǎng)不匹配，輸入端對(duì)接耦合時(shí)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(bào)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(jiǎn)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(fù)雜，先沿垂直于輸入直波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通過精密調(diào)芯和粘結(jié)固化重新對(duì)接裝回[1011]，這種方法可以大幅截?cái)嗲跋蜉椛淠?，偏振消光比達(dá)到了85 dB，但是該方法添加的工藝過程過于復(fù)雜，制作成本高。

為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種新的波導(dǎo)光路結(jié)構(gòu)，在輸入端導(dǎo)入了TiLiNbO3波導(dǎo)的模式分離定向耦合器。TiLiNbO3波導(dǎo)支持正交的兩種偏振導(dǎo)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(dǎo)模則通過定向耦合器被引走。波導(dǎo)的分光光路由質(zhì)子交換波導(dǎo)同基構(gòu)成，對(duì)于工作偏振態(tài)的導(dǎo)波，質(zhì)子交換和Ti擴(kuò)散的LiNbO3單模波導(dǎo)的基模模場(chǎng)分布十分接近，彼此對(duì)接引入的輻射?？梢缘玫接行б种啤PM仿真運(yùn)行表明，本設(shè)計(jì)光路的偏振消光比達(dá)到87 dB以上。另外，質(zhì)子交換的溫度遠(yuǎn)低于Ti擴(kuò)散的溫度，兩種工藝可以在同一LiNbO3基板上分區(qū)分時(shí)實(shí)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(dǎo)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(gè)偏振分離的定向耦合結(jié)構(gòu)，采用TiLiNbO3單模波導(dǎo)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(dǎo)來構(gòu)成。波導(dǎo)制備仿真采用了OPTIWAVE公司的BPM軟件中的專用模塊，鈦擴(kuò)散工藝仿真的設(shè)定條件是：鈦模厚度和寬度分別為100 nm和4 mm，擴(kuò)散溫度和時(shí)間分別是1 050 ℃和2.5 h。質(zhì)子交換工藝仿真的設(shè)定條件是：質(zhì)子源為稀釋苯甲酸，H+的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%，開窗寬度為4 mm，交換溫度和時(shí)間分別是250 ℃和4 h，退火溫度和時(shí)間分別是400 ℃和2 h。工藝仿真得到的均為單模波導(dǎo)，其中質(zhì)子交換波導(dǎo)顯示單偏振特性，只支持TE導(dǎo)模。圖2是兩種波導(dǎo)的TE基模的模場(chǎng)分布，波長(zhǎng)是1 550 nm，顯示表明TiLiNbO3與質(zhì)子交換波導(dǎo)具有良好的匹配效果。BPM運(yùn)行表明，兩根波導(dǎo)的對(duì)接耦合效率達(dá)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(dǎo)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(duì)接耦合很難完全杜絕TM模，加上尾纖與LiNbO3波導(dǎo)的偏振軸對(duì)準(zhǔn)誤差以及模場(chǎng)的不匹配，都會(huì)導(dǎo)致輸入端對(duì)接耦合時(shí)激發(fā)TM輻射模。本文設(shè)計(jì)的光路在輸入一側(cè)采用TiLiNbO3單模波導(dǎo)，目的是可以有效激發(fā)TM導(dǎo)模從而抑制TM輻射模。TiLiNbO3波導(dǎo)與單模保偏光纖端面耦合的仿真運(yùn)行顯示：TM模輸入時(shí)，轉(zhuǎn)化為Ti擴(kuò)散波導(dǎo)TM導(dǎo)模的耦合效率達(dá)97.50%，而質(zhì)子交換波導(dǎo)的耦合效率近乎為零；改為TE模輸入時(shí)，與轉(zhuǎn)化為TE導(dǎo)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?，在輸入一側(cè)采用Ti擴(kuò)散波導(dǎo)，十分有利于遏制尾纖中TM導(dǎo)模成分向波導(dǎo)TM輻射模的轉(zhuǎn)化。對(duì)于TE模，兩種波導(dǎo)的效果不相上下，模場(chǎng)失配均會(huì)激發(fā)含TM成分的前向輻射模。BPM仿真運(yùn)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(dǎo)輸出端做了圖1所示的必要下移。

由于Ti擴(kuò)散波導(dǎo)同時(shí)傳輸兩種偏振態(tài)的導(dǎo)模以及TiLiNbO3波導(dǎo)的折射率各向異性，區(qū)域1的定向耦合器被設(shè)計(jì)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(dǎo)構(gòu)成，耦合系數(shù)與一對(duì)偶對(duì)稱和奇對(duì)稱模的傳播常數(shù)be和bo的差值成正比，（be-bo）不僅與一對(duì)直波導(dǎo)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(diǎn)，調(diào)整一對(duì)直波導(dǎo)的長(zhǎng)度和間隔，可以把兩個(gè)模式按圖1所示那樣分離。圖3給出了BPM仿真運(yùn)行的結(jié)果，定向耦合器的一對(duì)直波導(dǎo)的長(zhǎng)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(dǎo)來構(gòu)成。Y分叉點(diǎn)較輸入波導(dǎo)位置下沉250 mm，兩根輸出直波導(dǎo)的長(zhǎng)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(duì)接，波導(dǎo)芯片總長(zhǎng)是15.6 mm。質(zhì)子交換LiNbO3波導(dǎo)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(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

2設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)結(jié)果用BPM仿真運(yùn)行來驗(yàn)證。圖4給出了仿真的光路結(jié)構(gòu)和運(yùn)行效果，光波導(dǎo)的輸入端與單模保偏光纖對(duì)接耦合，仿真波長(zhǎng)是1 550 nm。圖4（a）和（b）分別是TE模和TM模的運(yùn)行結(jié)果，輸入光功率做了歸一化。對(duì)于TE模傳輸，Y分支的上下兩個(gè)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(duì)于TM模傳輸，器件上部直波導(dǎo)輸出端的歸一化輸出功率是99.60%，Y分支的上下兩個(gè)輸出端的歸一化輸出功率分別是1.96×10-7%和1.02×10-7%，對(duì)TM偏振的消光比分別達(dá)到87.07 dB和89.92 dB。這些結(jié)果表明，器件達(dá)到了很好的設(shè)計(jì)效果，對(duì)TE模有良好的傳輸和分光特性，對(duì)TM模具有高達(dá)87 dB以上的消光比。

3結(jié)論

開發(fā)設(shè)計(jì)了一種新的光路結(jié)構(gòu)，用于改善LiNbO3波導(dǎo)相位調(diào)制器的偏振消光比。光路設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是，在質(zhì)子交換波導(dǎo)3 dB功分器的輸入端，同基構(gòu)造了TiLiNbO3波導(dǎo)模式分離定向耦合結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)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(dǎo)模被定向疏散。1 550 nm波長(zhǎng)的BPM仿真運(yùn)行結(jié)果顯示，本設(shè)計(jì)光路的偏振消光比達(dá)到87 dB以上，具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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（編輯：劉鐵英）endprint