[发明专利]一种基于偏折波导结构的光偏振可控输出的检偏器

说明书

技术领域

本发明属于光子集成技术领域，涉及光波导功能器件，具体指一种基于电光效应的偏折波导型可调控检偏器件。

背景技术

光波导器件是一类重要光子功能元件，具有体积小、重量轻、结构紧凑、性能稳定可靠、易于集成和损耗低等诸多优点。它可通过单片或混合集成方法，实现多功能集成的光子系统。因而，其研究已受到国内外广泛关注和重视。

波导型偏振功能器件是集成光子系统中不可或缺的核心单元器件。在集成光子系统中，通常由于存在偏振相关损耗、偏振模式色散、偏振相关增益等偏振效应，易导致波形失真、信号波动和幅度噪声等问题，因而需制作和设计偏振功能器件来改善光通信和光信号处理质量，提高集成光子系统性能。据报道，已有的波导型偏振功能器件通常属于“静态”元器件，即器件的设计与制作一旦完成，这些器件的光学性能就完全确定，其性能却不能进行在线调控，这大大限制了器件的应用范围。

为了提高集成光子系统性能，可调控偏振功能器件的研究开始引起人们的关注。可调控偏振功能器件不仅能解决因制作工艺误差所导致的器件性能下降问题，还能在线监测集成光子系统中的不同偏振光的传输损耗。此外，可调控偏振功能器件还可在偏振复用通信技术和偏振光时域反射技术中实现在线调控偏振。目前，所报道的可调偏检偏器仅适用于光纤系统中的偏振调控与自由空间的光传输，而不适用于集成光子系统中。另外，这些器件还存在制作难度大、调控性能差、结构复杂、波长依赖性大等诸多缺陷。因此，积极设计与制作波导型偏振功能器件对提升光子系统性能或发展新型功能光子系统具有重要应用价值。

基于此，本发明充分考虑波导结构器件的特点与优势，设计了一种新型可调控检偏器；该器件由偏折波导结构构成，利用液晶的各向异性光学特性和晶轴可调控特性，通过电场调控，改变调控区域液晶的折射率，完成TE波和TM波动态检偏输出，实现对光信号的不同偏振态在线检偏。这种器件具有输出偏振态可动态调控的突出优点，通过与其它波导型功能器件集成，易于实现结构紧凑的新型集成光子系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种可调控波导型检偏器，该检偏器基于偏折波导结构，在偏折波导调控区域采用具有大双折射率差的液晶材料，利用液晶的各向异性和晶轴可调控性等光学特性，通过电场调控，动态改变波导内不同偏振光的泄漏损耗，使其特定偏振态的(TE或TM)光信号传输实现动态调控，从而获得特定偏振光输出。该器件具有设计与制作方便、结构简单、易于调控和波长依赖性低等优点。

本发明技术方案如下：

一种基于偏折波导结构的光偏振可控输出的检偏器，如图1、2、3所示，其中图1为器件俯视图，图2和图3分别为波导在AA1、BB1位置处的横截面图。所述波导由输入直波导(2)、第一偏折波导(5)、第二偏折波导(6)、弯曲波导(7)和输出直波导(4)顺序连接构成；该器件波导由包层材料(1)和位于包层材料(1)内部的芯层材料(8)构成一个倒脊型偏折波导结构。所述调控区的第一偏折波导(5)的侧边和液晶材料(3)相切，液晶材料(3)的晶轴初始方向沿水平方向；且输入直波导(2)与第一偏折波导(5)和第二偏折波导(6)之间的夹角分别为θ、2θ，所述夹角θ满足：

0<θ<min[cos-1(N1TE/N2TE),cos-1(N1TM/N2TM)]

其中N1TE和N2TE分别表示TE波在液晶材料和波导芯层材料中的等效折射率，N1TM和N2TM分别表示TM波在液晶材料和波导芯层材料中的等效折射率，函数min表示取最小值。所述调控区包层材料上、下两面分别为上电极(9)和下电极(10)，且上、下电极均为金属电极；当上、下电极之间不施加调控电压时，液晶材料的晶轴取向沿水平方向；当上、下电极之间施加调控电压时，液晶材料的晶轴取向垂直于水平方向变为竖直方向；当上、下金属电极之间不施加调控电压U0时，从输入直波导(2)输入的光信号经过调控波导后，TM波偏振光从输出直波导(4)输出，而TE波偏振光因泄漏损耗大而导致无输出；当上、下金属电极之间施加调控电压U0时，从输入直波导(2)输入的光信号经过调控波导后，TE波偏振光从光输出直波导输出，而TM波偏振光因泄漏损耗大而导致无输出；因此，完成光信号的可调控检偏输出。

本发明提供的偏振波导型可调控检偏器为倒脊型偏折波导结构，其材料均为有机聚合物；可采用光学光刻方法制作，其制作方法与传统光波导制作工艺兼容。该器件调控区液晶部分的制作工艺与传统液晶器件的制作工艺类似。

本发明的工作原理是：