光学仪器  2017, Vol. 39 Issue (4): 66-69   PDF    
高偏振消光比铌酸锂波导调制器光路设计
张威, 陈抱雪     
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
摘要: 设计了一种新的光路结构,用于提高LiNbO3波导相位调制器的偏振消光比。光路特点是,在质子交换波导3 dB功分器的输入端同基构造了Ti-LiNbO3波导模式分离定向耦合的结构以实现TE导模与TM模分离,Y分支波导位置下沉以避免前向TM辐射模的窜扰。效果表现为,与保偏光纤端耦合寄生的TM辐射模得到了有效抑制,寄生的TM导模被定向疏散。1 550 nm波长的BPM仿真运行表明,设计光路的偏振消光比达到87 dB以上。
关键词: 光波导技术     LiNbO3波导相位调制器     偏振消光比     同基集成    
Optical path design of LiNbO3 modulator with high polarization extinction ratio
ZHANG Wei, CHEN Baoxue     
School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China
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 Ti-LiNbO3 waveguide mode separation directional coupler with the base structure for the separation of TE mode and TM mode.Y-branch waveguide is sunk to avoid scrambling of the forward TM radiation mode.The parasitic TM radiation mode with polarization-maintaining 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.
Key words: optical waveguide technology     LiNbO3 waveguide phase modulator     polarization extinction ratio     integration with group    
引言

光纤陀螺作为一种高精度的惯性测量器件, 在国防和国民经济建设中有着广泛的应用[1-2]。其核心器件质子交换LiNbO3波导相位调制器对于光纤陀螺的精度和稳定性起着关键的作用。光纤陀螺中双折射引起的相干偏振误差不仅依赖于光纤的保偏特性, 还与LiNbO3波导分光光路的偏振滤波性能有关, 因为保偏光纤与LiNbO3对接耦合时寄生的交叉偏振态与主波信号相干, 会造成传感误差[3-4]。高精度光纤陀螺对LiNbO3波导器件的偏振消光比提出高于80 dB的要求[5], 尽管质子交换技术制备的LiNbO3波导有很高的偏振度, 但组装尾纤的波导器件的偏振消光比一般在50~55 dB的水平[6]。对于组装尾纤的波导, 因其尾纤与LiNbO3波导的模场不匹配, 输入端对接耦合时激发交叉偏振的辐射模, 在输出端发生再耦合劣化了器件的偏振消光比。已见报道的改善方法有两种:一种是在LiNbO3衬底下表面涂覆吸光材料, 阻止基板辐射模的反射[7-9], 这种方法简单便宜, 但无法阻断前向辐射模, 偏振消光比在60 dB的水平; 另一种方法比较复杂, 先沿垂直于输入直波导方向横刀切开, 然后在切断面上选择性蒸镀金属膜, 除了极小的、含有波导通道的截面被留白以外, 其余被金属薄膜遮蔽, 最后把切下的那段波导通过精密调芯和粘结固化重新对接装回[10-11], 这种方法可以大幅截断前向辐射模, 偏振消光比达到了85 dB, 但是该方法添加的工艺过程过于复杂, 制作成本高。

为了解决上述问题, 本文设计了一种新的波导光路结构, 在输入端导入了TiLiNbO3波导的模式分离定向耦合器。TiLiNbO3波导支持正交的两种偏振导模, 可以有效缓解端面耦合寄生偏振辐射模的发生, 寄生的偏振导模则通过定向耦合器被引走。波导的分光光路由质子交换波导同基构成, 对于工作偏振态的导波, 质子交换和Ti扩散的LiNbO3单模波导的基模模场分布十分接近, 彼此对接引入的辐射模可以得到有效抑制。BPM仿真运行表明, 本设计光路的偏振消光比达到87 dB以上。另外, 质子交换的温度远低于Ti扩散的温度, 两种工艺可以在同一LiNbO3基板上分区分时实施[12], 由于同属成熟工艺, 成本有效得到了控制。

1 光路结构和工作原理

用于构造高偏振消光比LiNbO3波导相位调制器的光路结构如图 1所示, 基板是xy传LiNbO3衬底, 区域1是一个偏振分离的定向耦合结构, 采用TiLiNbO3单模波导来构成。区域2是3 dB分光光路, 采用质子交换LiNbO3单模波导来构成。波导制备仿真采用了OPTIWAVE公司的BPM软件中的专用模块, 钛扩散工艺仿真的设定条件是:钛模厚度和宽度分别为100 nm和4 mm, 扩散温度和时间分别是1 050 ℃和2.5 h。质子交换工艺仿真的设定条件是:质子源为稀释苯甲酸, H+的质量分数为16%, 开窗宽度为4 mm, 交换温度和时间分别是250 ℃和4 h, 退火温度和时间分别是400 ℃和2 h。工艺仿真得到的均为单模波导, 其中质子交换波导显示单偏振特性, 只支持TE导模。图 2是两种波导的TE基模的模场分布, 波长是1 550 nm, 显示表明TiLiNbO3与质子交换波导具有良好的匹配效果。BPM运行表明, 两根波导的对接耦合效率达到99.93%, 耦合损耗为0.003 dB, 其中部分损耗源于端面耦合激发了TM前向辐射模。

图 1 波导光路基本结构 Figure 1 Fundamental optical structure of waveguide

图 2 TE基模的模场分布 Figure 2 Mode field distribution of TE fundamental mode

尽管LiNbO3波导相位调制器的尾纤采用单模保偏光纤, 但是保偏光纤与光源的对接耦合很难完全杜绝TM模, 加上尾纤与LiNbO3波导的偏振轴对准误差以及模场的不匹配, 都会导致输入端对接耦合时激发TM辐射模。本文设计的光路在输入一侧采用TiLiNbO3单模波导, 目的是可以有效激发TM导模从而抑制TM辐射模。TiLiNbO3波导与单模保偏光纤端面耦合的仿真运行显示:TM模输入时, 转化为Ti扩散波导TM导模的耦合效率达97.50%, 而质子交换波导的耦合效率近乎为零; 改为TE模输入时, 与转化为TE导模的耦合效率比较接近, 前者是98.08%, 后者是97.82%, 部分所余转化为TM辐射模。可见, 在输入一侧采用Ti扩散波导, 十分有利于遏制尾纤中TM导模成分向波导TM辐射模的转化。对于TE模, 两种波导的效果不相上下, 模场失配均会激发含TM成分的前向辐射模。BPM仿真运行显示, 前向辐射模的辐射半角约为0.58°, 为了避开辐射模的辐照, 将波导输出端做了图 1所示的必要下移。

由于Ti扩散波导同时传输两种偏振态的导模以及TiLiNbO3波导的折射率各向异性, 区域1的定向耦合器被设计成具有偏振分离的效果。定向耦合器由两根平行靠近的直波导构成, 耦合系数与一对偶对称和奇对称模的传播常数bebo的差值成正比, (be-bo)不仅与一对直波导之间的间距有关, 还因折射率各向异性赋予了TE模和TM模不同的数值。利用TE模和TM模具有不同耦合系数的特点, 调整一对直波导的长度和间隔, 可以把两个模式按图 1所示那样分离。图 3给出了BPM仿真运行的结果, 定向耦合器的一对直波导的长度和中心间距分别是864 mm和6.5 mm, 图 3(a)(b)分别是TE和TM模的传输结果, TE模的平行耦合和交叉耦合效率分别是0.40%和99.56%, TM模的平行耦合和交叉耦合效率分别是99.80%和0.06%, 显示了很好的偏振分离。

图 3 BPM仿真结果 Figure 3 BPM simulation results

区域2的质子交换LiNbO3 3 dB分光光路, 采用常规Y分支波导来构成。Y分叉点较输入波导位置下沉250 mm, 两根输出直波导的长度和芯中心间距分别是5 mm和127 mm, 以备薄膜电极制备和光纤列阵对接, 波导芯片总长是15.6 mm。质子交换LiNbO3波导具备很好的单偏振特性, 通过位置下沉避免前向TM辐射模的窜扰是本结构设计的重点之一。

2 设计结果

设计结果用BPM仿真运行来验证。图 4给出了仿真的光路结构和运行效果, 光波导的输入端与单模保偏光纤对接耦合, 仿真波长是1 550 nm。图 4(a)(b)分别是TE模和TM模的运行结果, 输入光功率做了归一化。对于TE模传输, Y分支的上下两个输出端的归一化输出功率分别是49.75%和49.72%, 插入损耗分别为3.032 dB和3.034 dB, 显示了很低的损耗和良好的功分特性。对于TM模传输, 器件上部直波导输出端的归一化输出功率是99.60%, Y分支的上下两个输出端的归一化输出功率分别是1.96×10-7%和1.02×10-7%, 对TM偏振的消光比分别达到87.07 dB和89.92 dB。这些结果表明, 器件达到了很好的设计效果, 对TE模有良好的传输和分光特性, 对TM模具有高达87 dB以上的消光比。

图 4 设计器件的BPM仿真结果 Figure 4 The BPM simulation result of the device
3 结论

开发设计了一种新的光路结构, 用于改善LiNbO3波导相位调制器的偏振消光比。光路设计的特点是, 在质子交换波导3 dB功分器的输入端, 同基构造了TiLiNbO3波导模式分离定向耦合结构。设计效果体现为:与保偏光纤端耦合寄生的TM辐射模得到了有效抑制, 寄生的TM导模被定向疏散。1 550 nm波长的BPM仿真运行结果显示, 本设计光路的偏振消光比达到87 dB以上, 具有潜在的应用价值。

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