專利名稱：一種波導型偏振光分束器的制作方法
技術領域：
本發明屬于集成光子學領域，涉及光波導器件，具體指一種基于Y分支波導結構的偏振光分束器件。
背景技術：
光波導器件因其結構緊湊、可靠性好、性能穩定、損耗低以及易于集成等諸多優點而受到國內外研究人員的廣泛關注和重視，且近年來發展十分迅速。光波導器件是集成光子系統中的單元器件，可通過采用不同集成方式(包括單片集成和混合集成)將各種不同有源或無源光波導器件進行有效集成，從而實現具有相應光信息處理功能的集成光子系統，它們在光通信、光信號處理、傳感等領域有著廣泛應用。
波導型偏振光分束器是集成光子系統中不可或缺的重要功能器件之一，用于實現光學系統中的不同偏振態(即TE和TM)光信號的有效分離，在系統中起著關鍵作用。這是由于在集成光子系統中，各種不同波導器件因雙折射效應而具有偏振依賴性，這將嚴重影響和制約了集成光子系統的光學性能，因而需設計、制作偏振光分束器以實現波導中不同偏振狀態光波的有效分離；此外，在特定集成光子系統(如光量子通信)中，光偏振狀態的有效控制對于系統來說也十分重要。基于此，人們提出了多種實現方案，如光子晶體型波導結構、方向耦合型波導結構、多模干涉型波導結構等，但是這些具有不同結構形式的偏振光分束器，通常屬于“靜態”型傳統結構，其固定端口輸出的光信號的偏振態是固定的，這不僅使其應用領域和范圍受到較大限制，同時，在與其它可調光子器件集成時也將產生新的諸多問題。基于上述原因，偏振光輸出端口可轉換的波導型偏振光分束器的研究開始引起了人們的關注和重視。通過對其施加可控物理量(如電壓、溫度等)，不僅可實現不同偏振態的光信號有效分離，而且可轉換其不同偏振態光信號的輸出端口，從而實現動態調控。這不僅能解決集成光子系統中其它不同光子元器件對其輸入光信號偏振態的不同需求，同時能通過動態調控來使系統中光子器件在不同時刻的光偏振態需求得到實時滿足，這有利于提高集成光子系統的性能，有利于設計、制作具有新型功能的集成光子系統。近年來，關于偏振光輸出端口可轉換的波導型偏振光分束器的報道還很少，且其輸出端口光信號的偏振態不能調控，并因波長依賴性、結構參數敏感性以及工藝制作難度等原因在實際應用中受到諸多限制。因而，設計和制作新型波波導型可調偏振分束器對于集成光子學領域發展具有重要意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種波導型偏振光分束器，該波導型偏振光分束器基于Y分支波導結構，在分支處調控區域采用具有大雙折射率差的液晶材料，使其不同偏振態的光信號在分支處選擇特定分支波導進行傳播，從而實現不同偏振態光信號的有效分離；該波導型偏振光分束器同時利用電光效應，改變調控區域的折射率，使其不同偏振態的光信號的輸出端口發生轉換，從而實現偏振光輸出通道的調控。該器件具有結構簡單、易于設計和制作、波長依賴性低、調控簡便等諸多優點。本發明技術方案如下—種波導型偏振光分束器，如圖1、2所不,包括由包層材料I和位于包層材料I內部的芯層材料構成的一個Y分支光波導結構；所述Y分支光波導結構包括光輸入直波導2、第一光輸出直波導3、第二光輸出直波導4。所述光輸入直波導2與第二光輸出直波導4之間由第一偏向波導5、第二偏向波導6和第三偏向波導7順序連接,使得光輸入直波導2與第二光輸出直波導4相互平行；所述第一光輸出直波導3與光輸入直波導2處于同一直線上，第一偏向波導5整個側邊與第一光輸出直波導3之間由一段液晶材料構成的連接波導8連接。所述液晶材料構成的連接波導8的芯層液晶材料的晶軸初始方向平行于第一光輸
出直波導3的波導方向,第一偏向波導5、第二偏向波導6和第三偏向波導7與光輸入直波導2之間的夾角分別為θ、2 Θ和Θ，所述夾角Θ需滿足0<θ < M in[cos—1 (Nm / Nte )，cos—1 (N / Nm)]其中函數Min表示取最小值，而分別表示TE波在芯層液晶材料和其它芯層材料中的等效折射率，^^和^^分別表示TM波在芯層液晶材料和其它芯層材料中的等效折射率。所述液晶材料構成的連接波導8的包層材料上下兩面分別具有上金屬電極10和下金屬電極9，當上、下金屬電極之間不施加控制電壓時，液晶材料的晶軸取向為初始方向；當上、下金屬電極之間施加飽和控制電壓Utl時，液晶材料的晶軸取向變為與初始方向相垂直。當上下金屬電極之間不施加控制電壓時，從光輸入直波導2輸入的光束經過液晶材料構成的連接波導8后,TE波偏振光從第一光輸出直波導3輸出，而TM波偏振光經第一偏向波導5、第二偏向波導6和第三偏向波導7,從第二光輸出直波導4輸出；當上下金屬電極之間施加飽和控制電壓U0時，從光輸入直波導2輸入的光束經過液晶材料構成的連接波導8后，TM波偏振光從第一光輸出直波導3輸出，而TE波偏振光經第一偏向波導5、第二偏向波導6和第三偏向波導7,從第二光輸出直波導4輸出。本發明提供的波導型偏振光分束器均由有機聚合物材料構成，器件為波導型結構，采用光學光刻方法可容易制作，與傳統光波導制作工藝兼容，這里不再詳細介紹其制作過程。而對于分支處的芯層液晶部分，則與傳統液晶器件制作工藝類似。本發明的工作原理是本發明提供的波導型偏振光分束器Y分支波導橫切面如圖2所示，設包層材料I折射率為Ii1、芯層材料折射率為n2，包層材料I和芯層材料均為有機聚合物材料。其波導芯層厚度、脊高以及寬度分別為d、h以及W。而在分支連接處的連接波導8的芯層材料為液晶，其尋常光和非常光所對應的折射率分別為11。和\。連接波導8的控制電極為微帶結構，包括上電極和下電極。對于所設計的波導型偏振分束器，圖I中所示的夾角Θ需滿足如下條件沒< MMcos-1CiVre / NmIcos-1 (Nm / N 、]其中函數Min表示取最小值，而Arra和分別表示TE波在芯層液晶材料和其它芯層材料中的等效折射率,Λ,和分別表不TM波在芯層液晶材料和其它芯層材料中的等效折射率。
當控制電極的施加電壓為零時，其液晶晶軸取向為水平方向(平行于第一光輸出直波導3的波導方向);而當控制電極施加控制電壓U0時，其液晶晶軸去向為豎直方向(垂直于第一光輸出直波導3的波導方向)。由于液晶存在大的雙折射率差，波導內傳播的TE和TM波在Y分支處發生分離，將沿著各自的分支波導進行傳播，從而實現光信號的偏振分離；而當控制電極上施加控制電壓U0時，這將導致TE和TM波所對應的折射率發生相反變化，使得分支波導中TE和TM波的傳輸通道將發生交換，從而實現了不同偏振態光信號輸出端口的調控。當控制電極上沒有施加電壓時，連接波導的芯層液晶材料的晶軸取向不發生改變，即沿水平方向。這時TE波和TM波所對應的折射率分別為ne和n。，其TE波光信號因模場率禹合效應將沿直波導傳播(從第一光輸出直波導3輸出),而TM波光信號因全內反射效應將沿偏向波導傳播(從第二光輸出直波導4輸出),從而實現了不同偏振態的光信號的空間分離。當控制電極上施加控制電壓Utl時，連接波導的芯層液晶材料的晶軸取向將發生改變，即沿豎直方向。這時TE波和TM波所對應的折射率也將隨之改變，即分別為η。和ne，其TE波光信號因全內反射效應將沿偏向波導傳播(從第二光輸出直波導4輸出),而TM波光信號·因模場I禹合效應將沿直波導傳播(從第一光輸出直波導3輸出)。由此實現了光信號的偏振分離和偏振光輸出通道的轉換調控。本發明提出的波導型偏振光分束器，其原理是利用液晶的大的雙折射率差特性，基于全內反射原理和模場稱合原理來實現不同偏振光信號的空間分離，同時基于電光效應來實現不同偏振信號光輸出通道的調控。這是一種具有新型功能的光波導器件，具有結構簡單、易于設計和制作、波長依賴性低、調控簡便等諸多優點，在集成光子系統中具有應用前景。
圖I是本發明提供的波導型偏振光分束器的結構示意圖。圖2是本發明提供的波導型偏振光分束器沿圖I中AA’連線進行剖分的截面示意圖。圖3是本發明提供的波導型偏振光分束器在液晶晶軸取向沿水平方向時(a)TE波和(b) TM波光信號在傳播過程中的光場分布。圖4是本發明提供的波導型偏振光分束器在液晶晶軸取向沿豎直方向時(a)TE波和(b) TM波光信號在傳播過程中的光場分布。圖5是本發明提供的波導型偏振光分束器(a)TE波和(b)TM波光信號在上、下分支波導中歸一化光功率輸出隨工作波長變化關系(其中虛線和實線分別表示分支波導端口2和端口 3的光功率輸出)。圖6是本發明提供的波導型偏振光分束器(a)TE波和(b)TM波光信號在上、下分支波導中歸一化光功率輸出隨波導線寬變化(△ )關系(其中虛線和實線分別表示第一輸出直波導3和第二輸出直波導4的光功率輸出)。圖7是本發明提供的波導型偏振光分束器(a)TE波和(b)TM波光信號在上、下分支波導中歸一化光功率輸出隨波導脊高變化(Ah)關系(其中虛線和實線分別表不第一輸出直波導3和第二輸出直波導4的光功率輸出)。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進行進一步的說明。通常，光通信系統中通信窗口為近紅外光，這里，假定光信號的工作波長為I. 55 μ m。如圖I所示，連接波導8的芯層液晶材料為液晶E7，其它芯層材料為摻ICP-E的聚砜，液晶E7的尋常光和非常光所對應的折射率分別為I. 50和I. 685，摻ICP-E的聚砜的折射率為I. 67 ;包層材料I為聚合物材料UV15，其折射率為1.50。其波導芯層厚度d、脊高h以及寬度w分別為Ι.ΟμπκΟ.δμπκδ.Ομπι，其偏向夾角Θ為I度。為簡化計算，采用有效折射率法將三維波導等效為二維平板波導。對于TE波，在波導芯層和包層區域的等效折射率分別為I. 6408和I. 6083 ;而對于TM波，在波導芯層和包層區域的等效折射率分別為1.6378和I. 6004，這種差異是由波導的形式雙折射效應引起的。而在連接波導8中，當控制電極不是加控制電壓時，液晶晶軸取向沿水平方向，則TE波和TM波所對應的等效折射率分別為I. 6553和I. 5000 ;而當控制電極施加控制電壓U0 (飽和電壓)時，液晶晶軸取向沿豎直方向，則TE波和TM波所對應的等效折射率分別為I. 5000和I. 6521，正是液晶折射率的這種相反趨勢變化，為可調偏振分束器的實現提供了物質基礎。 這里采用光束傳播法(BPM)對本發明提供的波導型偏振光分束器的光學性能進行模擬。當控制電極不是加控制電壓時，TE波和TM波光信號在該器件中傳播的光場分布如圖3 (a)和(b)所示，對于TE波和TM波，其消光比分別高達23. 9dB和29. 9dB,而其光損耗分別僅為O. 004dB和O. 005dB。當控制電極施加飽和控制電壓U0時，TE波和TM波光信號在該器件中傳播的光場分布如圖4(a)和(b)所示，對于TE波和TM波，其消光比分別高達30. OdB和23. OdB，而其光損耗分別僅為O. 006dB和O. 004dB。模擬結果表明，該器件具有優異的偏振光分束性能，且實現了 TE波和TM波的輸出端口調控。通常，入射光信號存在一定的譜寬，約幾十納米左右，如光通信系統C帶窗口為1530nnTl565nm。本發明進一步考察了本發明提供的波導型偏振光分束器偏振分束性能對其工作波長的依賴性。這里給出了液晶晶軸取向沿水平方向時的模擬結果，如圖5所示，圖5(a)和(b)分別表示TE波和TM波在各個分支波導的光功率輸出隨工作波長變化。模擬結果表明，其光功率輸出隨工作波長變化很小。同樣，當液晶晶軸取向沿豎直方向時其光功率輸出隨工作波長變化也很小。因此，該器件的波長依賴性很低，這對于其實際應用十分有用。最后，本發明考察了制作工藝誤差對可調偏振分束器光學性能的影響。在目前工藝技術條件下，波導線寬誤差和波導脊高誤差可容易控制在±0.5μπι和±0. Ιμπι以內。這里分別假設其波導線寬和波導脊高的變化范圍為-O. 5 μ m O. 5 μ m和-O. I μ m O. I μ m，其它參數與圖5中參數相同，其模擬結果分別如圖6和圖7所示。模擬結果表明，其各個端口的光功率輸出受工藝誤差變化的影響很小，這種特性有利于降低可調偏振分束器的工藝制作難度和制作費用，對于其實際應用十分有用。本發明所提出的一種波導型偏振光分束器，具有結構簡單、易于設計與制作、波長依賴性低、輸出端口轉換方便等優點，在集成光子系統中具有應用前景。
權利要求
1.一種波導型偏振光分束器,包括由包層材料(I)和位于包層材料(I)內部的芯層材料構成的ー個Y分支光波導結構；所述Y分支光波導結構包括光輸入直波導(2)、第一光輸出直波導(3)、第二光輸出直波導(4);所述光輸入直波導(2)與第二光輸出直波導(4)之間由第一偏向波導(5)、第二偏向波導(6)和第三偏向波導(7)順序連接,使得光輸入直波導(2)與第二光輸出直波導(4)相互平行；所述第一光輸出直波導(3)與光輸入直波導(2)處于同一直線上，第一偏向波導(5)整個側邊與第一光輸出直波導(3)之間由一段液晶材料構成的連接波導(8)連接；所述液晶材料構成的連接波導(8)的芯層液晶材料的晶軸初始方向平行于第一光輸出直波導(3)的波導方向，第一偏向波導(5)、第二偏向波導(6)和第三偏向波導(7)與光輸入直波導(2)之間的夾角分別為θ、2 Θ和Θ，所述夾角Θ需滿足 0<θ < Min[cos—HArre / Os-1 (Ntm / ^w)] 其中函數Min表示取最小值，而が 和分別表示TE波在芯層液晶材料和其它芯層材料中的等效折射率，# 和分別表示TM波在芯層液晶材料和其它芯層材料中的等效折射率；所述液晶材料構成的連接波導(8)的包層材料上下兩面分別具有上金屬電極(10)和下金屬電極(9 )，當上、下金屬電極之間不施加控制電壓時，液晶材料的晶軸取向為初始方向；當上、下金屬電極之間施加飽和控制電壓Utl時，液晶材料的晶軸取向變為與初始方向相垂直；當上下金屬電極之間不施加控制電壓時，從光輸入直波導(2)輸入的光束經過液晶材料構成的連接波導(8)后，TE波偏振光從第一光輸出直波導(3)輸出，而TM波偏振光經第一偏向波導(5)、第二偏向波導(6)和第三偏向波導(7),從第二光輸出直波導(4)輸出；當上下金屬電極之間施加飽和控制電壓Utl吋，從光輸入直波導(2)輸入的光束經過液晶材料構成的連接波導(8)后，TM波偏振光從第一光輸出直波導(3)輸出，而TE波偏振光經第一偏向波導(5)、第二偏向波導(6)和第三偏向波導(7),從第二光輸出直波導(4)輸出。
2.根據權利要求I所述的波導型偏振光分束器，其特征在于，所述連接波導(8)的芯層液晶材料為液晶E7，其它芯層材料為摻ICP-E的聚砜，所述包層材料(I)為聚合物材料UV15。
全文摘要
一種波導型偏振光分束器，屬于集成光子器件技術領域。該波導型可調偏振分束器基于全內反射原理和模場耦合原理，采用具有大雙折射率差的液晶材料，不同偏振態的光信號在分支處自動選擇特定分支波導進行傳播，從而實現不同偏振態的光信號有效分離；利用電光效應，改變調控區域液晶的折射率，使其不同偏振態的光信號的輸出端口發生交換，從而實現偏振光輸出通道的調控。該器件具有結構簡單、易于設計和制作、波長依賴性低、調控簡便等諸多優點，在集成光子系統中有應用前景。
文檔編號G02F1/13GK102841407SQ201210352308
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月20日 優先權日2012年9月20日
發明者唐雄貴, 張 林, 廖進昆, 陸榮國, 李和平, 劉永智, 劉永 申請人:電子科技大學