[发明专利]一种双偏振模铌酸锂直条波导相位调制器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铌酸锂基集成光学器件的制备方法，特别是一种可同时传输和调制两个正交偏振模式的波导相位调制器，主要涉及其芯片的加工方法及芯片与保偏尾纤的耦合连接方法。

背景技术

双偏振模直条波导相位调制器能够同时传输TE和TM模、并能同时对这两个模式的相位进行调制，这一特性使其在光纤传感领域特别是光纤电流传感器的研制中备受青睐。利用该器件，可以形成一种简单的共线型光纤电流传感器光路。同其他方光路方案如Sagnac光路方案相比，该方案的光路具有完全的空间互易性，并且时间互易性最好。因而采用双偏振模直条波导相位的调制器可以使电流传光路结构最大限度的降低光路系统的非互易误差，有利于提高光纤电流传感器的精度。

在光纤电流传感器等应用中，对器件提出的基本要求是：插入损耗低、并且对两个偏振模具有尽可能相等的传输效率即器件的偏振相关损耗(PDL)低，此外，还要求两个偏振模之间偏振串音低，并且在工程应用中还要确保其温度稳定性。

目前波导调制器中，铌酸锂基的波导由于其衬底优良的光学和电光性能占据了电光调制器的主导地位。铌酸锂基波导调制器的制备有两种方案，一种是钛扩散技术，另一种是质子交换技术。其中质子交换技术增加其非寻常光折射率n_e、而同时降低其寻常光折射率n_o，因而形成的波导只能承载非寻常偏振态的模式。而钛扩散技术能够同时增加铌酸锂晶体的非寻常光折射率n_e和寻常光折射率n_o，因此要形成双偏振模铌酸锂波导只能采用钛扩散技术。

铌酸锂上的钛扩散技术，目前有较多的文献报导，不过这些文献中都是仅利用其一个偏振模(TE或TM模)，而把另一个模吸收掉最终形成单偏振工作的器件，因此在器件设计和芯片制备中可以对拟吸收掉的模式不予考虑。当器件的两个偏振模式都是工作模式时，器件的设计和加工必须同时兼顾两个模式的传输特性。然而，由于两个偏振模式所对应的折射率不同，并且由钛扩散引起的折射率增量也相差很大，因此兼顾两个模式的传输特性是很困难的。实践表明，往往一个偏振模式已经进入多模工作区而另外一个偏振模式刚刚能够形成导模，因此，仅通过钛扩散技术很难形成一个损耗低、PDL又小的双偏振模波导调制器。

在光纤电流传感器等应用中，双偏振模直条相位调制器的偏振串音性能及其稳定性对整个传感器的性能具有较大的影响。铌酸锂晶体本身具有高的双折射，其晶体本身可以实现较低的偏振串音，整个器件的偏振串音性能及其温度稳定性受器件尾纤以及尾纤与芯片的连接方法有关。目前针对器件尾纤偏振串音特别是其温度稳定性的研究，尚未见到相关报导。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，给出一种新的双偏振模铌酸锂直条波导相位调制器及其制备方法。与现有的常规钛扩散光波导不同，本发明的铌酸锂直条波导在钛扩散波导区外设计了一个质子交换区，这样设计的器件芯片能同时实现器件低插入损耗和低偏振相关损耗；在其光纤与波导芯片的耦合对接方式上，特别明确了光纤轴向与晶体晶向、光纤轴向与光纤固定块之间的对应关系，进而能够提高器件的偏振串音性能及其温度稳定性。

本发明调制器的技术解决方案是：一种双偏振模铌酸锂直条波导相位调制器，主要由铌酸锂光波导芯片和耦合在所述芯片上的保偏尾纤组成，所述的铌酸锂光波导芯片由铌酸锂衬底、表面的条形钛扩散波导区、表面的质子交换区、二氧化硅隔离层及表面的金属电极所组成；铌酸锂衬底采用x切y传或z切y传晶片，条形钛扩散区域和质子交换区位于铌酸锂衬底的表层，二氧化硅隔离层覆盖在铌酸锂衬底的上面，在二氧化硅隔离层上面形成金属电极，金属电极与条形钛扩散波导区严格套准，即当铌酸锂衬底采用x切y传晶片时，器件金属电极的正负极位于条形钛扩散波导区的两侧，当铌酸锂衬底采用z切y传晶片时，器件金属电极的正极或负极需覆盖条形钛扩散区；保偏尾纤与上述芯片耦合连接，用胶固定在一起。

所述的保偏光纤被粘接在一个光纤固定块表面的V型槽内，并且光纤的慢轴与V型槽截面的对称轴重合，所述的光纤固定块的为一个长方形块体，材质为硅晶体，其表面的V型槽通过湿法腐蚀形成。

所述的保偏尾纤在与芯片耦合后，保偏光纤的慢轴与铌酸锂晶体的z轴相互垂直。

所述的铌酸锂光波导芯片的端面均按10°角方向进行抛光。

当所述芯片采用x切y传切向的铌酸锂时，尾纤端面的抛光平面为与光纤横截面成15°角且通过光纤慢轴的平面。

当所述芯片采用z切y传切向的铌酸锂时，尾纤端面的抛光平面为与光纤横截面成15°角且通过光纤快轴的平面。