[发明专利]一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片

说明书

本发明公开了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，所述芯片的厚度为d，其中dd_min，d_min为TM模式经芯片底面中心反射后到达输出光纤的最小入射角δw_min等于输出光纤的孔径角δ0时，芯片厚度的取值；和/或所述芯片包括设置在芯片表面的凹槽，使得有效阻隔平行于芯片表面的TM辐射模式再耦合入输出光纤。本发明有效的提高了芯片的偏振消光比，解决了波导芯片的偏振消光比随芯片尺寸增大而降低的难题，扩展了高精度光纤陀螺中对波导芯片的应用需求。

技术领域

本发明涉及集成光学芯片设计领域，尤其涉及一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片。

背景技术

光纤陀螺作为一种全固态的敏感角速度传感器，具有无运动部件、寿命长、动态范围宽、集成度高、重量轻、功耗小、成本低等特点，广泛应用于导弹制导、航空、航天、船舶、石油钻井平台、汽车导向等军用和民用领域。自1976年美国斯坦福大学Vali和Shortill教授完成了理论验证以来，基于Sagnac效应的干涉型光纤陀螺已在国内外的各大领域实现了工程化和实用化。目前，光纤陀螺因其应用领域的不同，向高精度和小型化两个方向发展，随着对光纤陀螺应用需求的不断增加，对其灵敏度、动态范围、标度因数线性度等指标要求也随之提高。以铌酸锂集成光学调制器为核心的数字闭环干涉型光纤陀螺系统是满足以上需求的一个重要途径。

铌酸锂集成光学调制器是闭环光纤陀螺系统中的核心光学组件之一，其参数指标直接影响光纤陀螺系统的性能。用于光纤陀螺的铌酸锂调制器通常称为Y波导，集成了光的分束与合束、起偏和相位调制三大功能。目前光纤陀螺中使用的Y波导大多采用退火质子交换工艺制作，铌酸锂晶体为双折射晶体，经质子交换后e光的折射率增大，o光的折射率减小，形成天然的单偏振传输特性。对于X切Y传的铌酸锂调制器，耦合入Y波导的光只允许TE模式传输，TM模式自铌酸锂基底泄露掉，如图1(a)-(b)所示，因而实现了光束起偏的功能。光纤陀螺中Y波导芯片的消光比定义为波导输出端的TE模式与TM模式的比值，此数值越大表示Y波导芯片的起偏效果越好，输出波导的光的偏振性越好。质子交换工艺制作的Y波导芯片天然具有很高的偏振特性，通常能够达到60dB左右，能够满足中、低精度光纤陀螺对光束偏振特性的要求。然而对于较高精度光纤陀螺，其对各光学组件提出了更为苛刻的指标要求，其中高精度光纤陀螺中要求Y波导芯片的偏振消光比高于80dB，因此常规的质子交换铌酸锂调制器不能达到这一标准，需要改善质子交换工艺的条件、优化波导芯片的结构设计。

质子交换Y波导芯片的高偏振消光比源自TM模式的泄漏，理论上随着芯片尺寸的加长，TM模式泄漏越彻底，芯片的偏振特性越好。然而在实际的测试中发现，相同工艺条件制作的Y波导芯片，随着芯片尺寸的增长其偏振消光比反而呈下降趋势，如图2所示，与预测结果恰恰相反(此现象在国外专利中也曾提到)。得出产生这种偏振串扰的机制为：自波导芯片输入端泄漏的TM模式，经芯片的下表面反射后一部分光重新耦合入波导的输出端，增大了输出端TM模式的比例，降低芯片的偏振消光比。而随着波导芯片的增长，光在芯片底面发生反射的入射角变大，反射回输出光纤光束的入射角减小，小于光纤的数值孔径角度，TM模式满足可耦合入波导通道的比例增大，因而产生了与预测结果相反的现象。而对于小芯片，反射的TM模式不满足重新耦合的条件，不会耦合入输出光纤。限制小芯片的偏振消光比的主要因素为泄漏的TM模式光会直接衍射至芯片的输出端，并耦合入输出光纤。

为了满足高精度光纤陀螺对多功能集成光学调制器偏振消光比的需求，通常使用尺寸更长的Y波导芯片，并在底部制作TM模滤波器，然而这一技术与光纤陀螺的小型化相矛盾。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从纵向与水平两个截面分析了TM模式的重新耦合方式，由此提出了一种小型化高偏振消光比的多分支光波导芯片，重点抑制在波导芯片上表面方向TM模式的重新耦合，有效的提高了芯片的偏振消光比，为波导在高精度领域中的应用奠定基础。