[发明专利]一种偏振角度可调节光学偏振旋转器

说明书

技术领域

本发明属于集成光电器件领域，它具体涉及一种左右交替电极周期分布的偏振角度可调节光学偏振旋转器。

背景技术

随着因特网的快速普及，多媒体数字娱乐、网络购物、高清视频、无线3G等业务已成为人们日常生活的必需品，引发了网络信息的爆炸式增长，特别是移动互联网、物联网的快速崛起,云计算、大数据挖掘和智慧城市建设的大规模展开，引发了海量信息的传输需求，推动着光通信系统的不断升级和扩容。在大容量超高速长距离光通信应用中，偏振复用技术，可以加倍系统容量，提高系统频谱效率，是提升系统容量的关键技术；同时，接收端采用相干检测技术，在电域内补偿光纤带来的传输损伤(主要是偏振模色散和非线性效应)，已成为解决光纤传输损伤的关键技术；此外，光通信系统中，很多关键器件对入射光的偏振方向敏感，比如集成光开关、光放大器、光接收器和光干涉仪等，由此带来偏振损害，偏振分集技术，可以消除光子器件的偏振敏感性，是解决偏振敏感问题的关键技术。目前，偏振复用和相干检测技术，结合偏振分集技术，已成为100Gbps及以上容量骨干传输网的关键技术。

涉及双偏振复用的技术中，发送端需要将激光源发出的TE(横电场)线偏振光进行45°的偏振旋转，以便偏振分束器分束，产生幅度相等且相互正交的两路偏振复用光。涉及相干检测的技术中，接收端需要将本地激光源发出的TE线偏振光，进行45°的偏振旋转，以便偏振分束器分束，产生幅度相等且相互正交的两路线偏振光。涉及偏振分集的技术中，一路线偏振光需要旋转90°，以形成两路相互平行或正交的的线偏振光。现有的偏振旋转器主要分为两种：一种是分立式偏振旋转器，如双折射半波片偏振旋转器，损耗较小，但其体积大、难与半导体器件集成、且无法将线偏振光的任意偏振方向偏振旋转任意角度。另一种是集成式偏振旋转器，它可以是非对称波导，如单斜边波导、弯曲波导和非对称刻槽波导等，这些波导损耗低，但其要求入射光只能是TE或TM(横磁场)偏振；它也可以是周期分布波导，如左右交替负载条周期分布波导、周期分布电极的Ti扩散LiN_bO₃波导和InGaAsP波导，这些波导可实现线偏振光任意偏振方向的偏振旋转，可是损耗较大，而且负载条波导作为无源器件，它无法对偏振旋转进行调节；Ti扩散LiN_bO₃波导在制作工艺中难于控制波导形状，不适宜大批量生产，还不便与半导体器件集成；InGaAsP波导的偏振旋转调节范围最大只有20°。

发明内容

本发明提供一种左右交替电极周期分布的偏振角度可调节光学偏振旋转器，以解决现有的偏振旋转器无法同时满足具有任意偏振方向的输入线偏振光的偏振旋转、偏振旋转的调节、低损耗、易于制作与集成要求等问题，以满足目前大容量超高速长距离光通信系统对具有任意偏振方向的线偏振光偏振角度旋转和调节的需求。

本发明所采用的技术方案是：一种偏振角度可调节光学偏振旋转器，其包括依次相连的输入、偏振旋转和输出波导；所述三种波导从上到下依次包括上包层、导波层、下包层和衬底；所述偏振旋转波导在上包层上方还设有顶部电极层，在衬底下方还设有衬底背面电极层。

所述的光学偏振旋转器，所述下包层的下表面与衬底的宽度相同；所述下包层的上表面大于或等于导波层、上包层的宽度，等于或小于衬底的宽度。

所述的光学偏振旋转器，所述衬底背面电极层大于或等于上包层、上包层在衬底的投影区域宽度，等于或小于衬底的宽度。

所述的光学偏振旋转器，顶部电极层包括尺寸完全相同、交替分布且周期性重复的电极，电极宽度最大是上包层宽度的一半。

所述的光学偏振旋转器，每个电极的长度L_π由下式得到：

L_π＝π/(β₁-β₂)

其中，β₁、β₂分别是所述偏振旋转波导两个最低阶TE(横电场)和TM(横磁场)模式的传播常数。

所述的光学偏振旋转器，其特征在于：β₁、β₂由本征解模法或者虚位移束传播法得到；

所述本征解模法包括以下步骤：

a.按下两式建立基于本征磁场的全矢量方程：