一种低损耗低驱动电压的高速偏振控制器及光量子偏振态控制模块的制作方法

本实用新型涉及量子密钥分发、量子纠缠光子对产生等量子保密通信领域，特别是涉及一种低损耗低驱动电压的高速偏振控制器及光量子偏振态控制模块。

背景技术：

近年来，基于量子密钥分发系统的量子保密通信技术，采用传输量子密钥的方式，提供了一种理论上不会被窃听的“绝对安全”的通信方式。量子保密通信技术的“绝对安全”来自于信息的载体―光量子―的不可克隆性以及不确定性等独特的量子物理特性。

在量子密钥分发系统的接收端，需确保不同光纤信道所传输的光量子的光谱信息、时序信息、偏振信息等多维度的信息是不可分辨的。以光量子的偏振信息为例，量子密钥分发系统采用传统的光纤信道进行光量子态的传输，而光纤双折射现象的存在导致光量子的偏振状态在经过光纤信道传输后会不可避免地发生变化。因此，在量子密钥分发系统接收端的干涉分束器前，常在每一信道中加入一个偏振控制器和一个偏振分束器，组成一个光量子偏振控制装置，以实现各信道的光量子偏振信息的不可分辨。

应用于量子密钥分发系统的偏振控制器主要是基于压电陶瓷的光纤挤压型偏振控制器，通过压电陶瓷通电后产生形变的推力挤压光纤，从而产生应力双折射，实现光量子偏振态的改变。光纤挤压型偏振控制器的优势在于简单的结构和很低的器件插入损耗，但这种偏振控制器的响应时间过慢，难以满足量子密钥分发系统对高通信速率的发展需求。

基于铌酸锂晶体线性电光效应的光电子器件有着极快的响应速度(纳秒量级)，这一优势在目前已十分成熟的铌酸锂相位调制器和强度调制器等电光调制器中得到了充分的体现。基于线性电光效应的铌酸锂电光偏振控制器在一定的驱动电压控制下可实现任意偏振状态的转换，并且同铌酸锂电光调制器一样有着极快的响应速度。

与光纤挤压型偏振控制器相比，铌酸锂电光偏振控制器的缺点主要在于较长的器件长度和较大的器件插入损耗。

首先，较长的器件长度，不仅增加了量子密钥分发系统接收端的偏振控制装置的体积，也不利于铌酸锂电光偏振控制器与其他器件(如偏振分束器)的模块化集成甚至单片集成(否则器件尺寸更大)。

其次，较大的器件插入损耗，降低了抵达单光子探测器的光量子数量，使得量子密钥分发系统接收端不得不使用探测灵敏度更高、暗计数更低的单光子探测器，同时也要缩减量子密钥分发网络各通信节点之间的距离，这无疑增加了量子密钥分发系统的技术难度和建设成本。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种低损耗低驱动电压的高速偏振控制器及光量子偏振态控制模块，在保持了现有技术的铌酸锂电光偏振控制器的高响应速率的同时，降低了铌酸锂电光偏振控制器的驱动电压和器件插入损耗，减小了器件尺寸，提升了器件工作性能的稳定性。为进一步地减小量子密钥分发系统接收端的光量子偏振态控制模块的损耗和体积，本实用新型提出了集成有铌酸锂电光偏振控制器和偏振分束器的光量子偏振态控制模块，为推动量子保密通信技术向低建设成本、高通信速率、长传输距离发展提供有力的支撑。

为实现本实用新型的目的，本实用新型提供了一种低损耗低驱动电压的高速偏振控制器，包括：基底晶片、下粘接层、铌酸锂单晶薄膜、直条型光学波导、下层金属电极、上层金属电极，

所述基底晶片为光学级、双面抛光的铌酸锂或石英晶片，其厚度为0.1mm至2mm；

所述下粘接层为二氧化硅薄膜，位于基底晶片与铌酸锂单晶薄膜之间，厚度为0.1μm至5μm；

所述铌酸锂单晶薄膜具有单晶结构，切向为X切Z传或Y切Z传，厚度为0.1μm至10μm；

所述直条型光学波导为钛扩散波导，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；

所述下层金属电极为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导的正下方、掩埋于下粘接层中；

所述上层金属电极为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导的上方并分置于直条型光学波导的左右两侧，形成共面电极结构。

其中，还包括金属封装管壳壳体、金属封装管壳引脚、金线、单孔套管光纤模块，金属封装管壳引脚通过金线与下层金属电极和上层金属电极连接，直条型光学波导的输入端和输出端分别与单孔套管光纤模块进行耦合粘接。

其中，刻蚀区域中的下层金属电极为通过干法刻蚀技术刻蚀掉该部分的铌酸锂单晶薄膜露出来的，下层金属电极与金属封装管壳壳体上的金属封装管壳引脚进行键合引线，上层金属电极通过金线与金属封装管壳壳体上的金属封装管壳引脚进行键合引线。

相应地，本实用新型还提供了一种光量子偏振态控制模块，包括：基底晶片、下粘接层、铌酸锂单晶薄膜、直条型光学波导、下层金属电极、上层金属电极、定向耦合器型光学波导、金属封装管壳，

所述基底晶片为光学级、双面抛光的铌酸锂或石英晶片，其厚度为0.1mm至2mm；

所述下粘接层为二氧化硅薄膜，位于基底晶片与铌酸锂单晶薄膜之间，厚度为0.1μm至5μm；

所述铌酸锂单晶薄膜具有单晶结构，切向为X切Z传或Y切Z传，厚度为0.1μm至10μm；

所述直条型光学波导为钛扩散波导，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至5μm；

所述下层金属电极为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导的正下方、掩埋于下粘接层中；

所述上层金属电极为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导的上方并分置于直条型光学波导的左右两侧，形成共面电极结构；

所述定向耦合器型光学波导为钛扩散波导，采用定向耦合器型结构，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm；

其中，所述金属封装管壳包括：金属封装管壳壳体、金属封装管壳引脚、金线、单孔套管光纤模块、双孔套管光纤模块或双套管光纤模块。金属封装管壳引脚通过金线分别与下层金属电极和上层金属电极连接，直条型光学波导的输入端、定向耦合器型光学波导的输出端分别与单孔套管光纤模块、双孔套管光纤模块或双套管光纤模块进行耦合粘接。

其中，单孔套管光纤模块包括单孔的铌酸锂套管或玻璃套管以及一根单模光纤或保偏光纤，粘接于直条型光学波导的输入端，双孔套管光纤模块或双套管光纤模块包括双孔的铌酸锂套管或玻璃套管，或两个单孔的铌酸锂套管或玻璃套管，套管的双孔或两个单孔各穿有一根单模光纤或保偏光纤，双孔套管光纤模块或双套管光纤模块粘接于定向耦合器型光学波导的输出端。

其中，刻蚀区域中的下层金属电极为通过干法刻蚀技术刻蚀掉该部分的铌酸锂单晶薄膜露出来的，下层金属电极与金属封装管壳壳体上的金属封装管壳引脚进行键合引线，上层金属电极通过金线与金属封装管壳壳体上的金属封装管壳引脚。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)利用了铌酸锂线性电光效应高响应速率的特点，实现了对光量子偏振态的高速控制；

(2)独特地采用了共面结构和上下结构相结合的电极结构，大幅缩短了铌酸锂电光偏振控制器三个电极之间的间距，并且无需采用二氧化硅缓冲层，提升了电场对光场的调制效率，降低了铌酸锂电光偏振控制器的驱动电压；

(3)驱动电压的降低有利于实现芯片长度的缩短、器件的小型化，而芯片长度的缩短又有利于降低器件插入损耗；

(4)独特的器件结构设计省去了二氧化硅缓冲层的使用，抑制了直流漂移现象的出现，提升了铌酸锂电光偏振控制器的工作性能稳定性；

(5)实现了电光偏振控制器与偏振分束器的单片集成，解决了现有技术中光量子偏振态控制部分由两个分立光学元件通过光纤连接的问题，减小了光量子偏振态控制模块的插入损耗和模块体积，提升了光量子偏振态控制模块的偏振控制稳定性；

(6)铌酸锂电光偏振控制器以及光量子偏振态控制模块的插入损耗的降低有利于提升量子保密通信网络各中继节点之间的量子信息传输距离，有利于降低量子保密通信网络建设成本，提升量子保密通信技术的产业化价值。

附图说明

图1为现有铌酸锂电光偏振控制器的芯片结构示意图；

图2为现有铌酸锂电光偏振控制器芯片在加载对称电压时的工作原理及横截面示意图；

图3为现有铌酸锂电光偏振控制器芯片在加载非对称电压时的工作原理及横截面示意图；

图4为本实用新型提出的铌酸锂电光偏振控制器的芯片结构示意图；

图5为本实用新型提出的铌酸锂电光偏振控制器芯片在加载对称电压时的工作原理及横截面示意图；

图6为本实用新型提出的铌酸锂电光偏振控制器芯片在加载非对称电压时的工作原理及横截面示意图；

图7为本实用新型提出的铌酸锂电光偏振控制器的封装结构示意图；

图8为本实用新型提出的铌酸锂电光偏振控制器芯片中刻蚀区域的芯片横截面及引线结构示意图；

图9现有光量子偏振态控制装置的原理示意图；

图10、本实用新型提出的光量子偏振态控制模块的芯片结构示意图；

图11、本实用新型提出的光量子偏振态控制模块的原理示意图；

图12、本实用新型提出的光量子偏振态控制模块的封装结构示意图；

图中，1.铌酸锂晶片、2.二氧化硅缓冲层、3-1.直条型光学波导、3-2.定向耦合器型光学波导、4.金属薄膜电极、5.基底晶片、6.下粘接层、7、铌酸锂单晶薄膜、8.下层金属电极、9.上层金属电极、A.刻蚀区域、10.金属封装管壳壳体、11.金属封装管壳引脚、12.金线、13-1.单孔套管光纤模块、13-2.双孔套管光纤模块或双套管光纤模块。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

参考图4-图8，图4至图8是本实用新型实施例提供的一种低损耗低驱动电压的高速偏振控制器，包括：基底晶片5、下粘接层6、铌酸锂单晶薄膜7、直条型光学波导3-1、下层金属电极8、上层金属电极9、刻蚀区域A、金属封装管壳壳体10、金属封装管壳引脚11、金线12、单孔套管光纤模块13-1。

基底晶片5为光学级、双面抛光的铌酸锂或石英晶片，其厚度为0.1mm至2mm。

下粘接层6为氧化物薄膜，其材料可以选择氧化硅、氧化铝或氮化硅等。下粘接层6位于基底晶片5与铌酸锂薄膜7之间，厚度为0.1μm至5μm，作为粘接层以实现基底晶片5与铌酸锂薄膜7之间的键合。

铌酸锂薄膜7具有单晶结构，切向为X切Z传或Y切Z传，厚度为0.1μm至10μm。

直条型光学波导3-1为钛扩散波导，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至5μm。

下层金属电极8为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导3-1的正下方、掩埋于下粘接层6中。

上层金属电极9为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导3-1的上方并分置于直条型光学波导3-1的左右两侧，形成共面电极结构。

刻蚀区域A通过采用干法刻蚀技术将该区域的铌酸锂单晶薄膜7进行刻蚀，露出刻蚀区域A部分的下层金属电极8，以实现下层金属电极8与金属封装管壳引脚11进行引线连接。

参考图1，图1是现有技术提供的铌酸锂电光偏振控制器的芯片结构图。如图1所示，铌酸锂电光偏振控制器芯片采用X切Z传的铌酸锂晶片1；直条型光学波导3-1为钛扩散波导；在铌酸锂晶片上表面镀有一层厚度在100nm以上的二氧化硅缓冲层2；在二氧化硅缓冲层2上方、直条型光学波导3-1的正上方及左右两侧，分别制作有金属薄膜电极4。基于该结构，通过控制三块电极上加载的电压可以等效地得到一个主轴方位角为α/2的δ波片，即：

V₁＝2V₀·δ·sin(α)-V_π·δ·cos(α)+V_3,Bias

V₂＝0

V₃＝2V₀·δ·sin(α)+V_π·δ·cos(α)+V_3,Bias

这里V₁、V₂和V₃分别为加载在三块电极上的电压，其中V₂为地电极。V_π为TE与TM模式之间产生π相位差所需的电压，V₀为TE(TM)模式的光能量完全转换为TM(TE)模式的光能量所需的电压，V_1,Bias和V_3,Bias为补偿TE与TM模式之间的双折射所需的偏压，δ为波片延迟量(如1/4波片的δ＝1/4)，α/2为波片的主轴方位角。

参考图2、图3，图2、图3是现有技术提供的铌酸锂电光偏振控制器在加载电压时的工作原理及横截面示意图。图2所示为V₁和V₃加载了对称电压(例如V₁＝+20V、V₂＝0、V₃＝+20V)，电场线分布于V₁至V₂之间以及V₃至V₂之间，并由两侧正电压电极(V₁和V₃)指向中间地电极(V₂)。因此，电场线沿铌酸锂晶体X轴的分量对沿该晶轴方向振动的光场起到了有效的电光作用，引起了相移。类似的，图3所示为V₁和V₃加载了非对称电压(例如V₁＝-20V、V₂＝0、V₃＝+20V)，电场线分布于V₁和V₃之间，并由右侧正电压电极(V₃)指向左侧负电压电极(V₁)。因此，电场线沿铌酸锂晶体Y轴的分量对沿该晶轴方向振动的光场起到了有效的电光作用，引起了相移。

在现有铌酸锂电光偏振控制器中，参考图2、图3，考虑到器件驱动电压以及制备工艺难度等因素，三块电极中的地电极(V₂)宽度一般为6μm左右，地电极两侧的两块电极(V₁和V₃)与地电极V2的边缘间距一般为4～6μm，因此左右两块电极(V₁和V₃)之间的边缘间距为14～18μm。

在本实用新型中，参考图4至图8，采用铌酸锂单晶薄膜代替了现有铌酸锂电光偏振控制器所用的铌酸锂晶片，将下层金属电极8作为地电极并放置于直条型光学波导3-1的正下方、掩埋于下粘接层6中，将两块上层金属电极9用于加载正电压或负电压，放置于直条型光学波导3-1的上方并分置于直条型光学波导3-1的左右两侧。基于该技术方案，本实用新型提供的铌酸锂电光偏振控制器不存在直条型光学波导3-1正上方的金属薄膜电极4对光波的吸收现象，因此可省去现有铌酸锂电光偏振控制器使用的二氧化硅缓冲层2。

在本实用新型中，铌酸锂单晶薄膜7的厚度为0.1μm至10μm，上层金属电极9的边缘间距为8～10μm。显而易见的是，当上层金属电极9加载非对称电压时，本实用新型提供的铌酸锂电光偏振控制器的电极间距缩短了30％至50％；当上层金属电极9加载对称电压时，本实用新型提供的铌酸锂电光偏振控制器不存在二氧化硅缓冲层2对驱动电压的分压作用。因此，与现有铌酸锂电光偏振控制器相比，本实用新型提供的铌酸锂电光偏振控制器可实现驱动电压的大幅减小，而驱动电压的降低也为铌酸锂电光偏振控制器芯片长度的缩短带来了便利，不仅有利于降低偏振控制器的插入损耗，更有利于实现偏振控制器与偏振分束器在铌酸锂薄膜中的单片式集成。

图7是本实施例提供的用于进行低损耗低驱动电压的高速偏振控制器封装的结构示意图，包括：金属封装管壳壳体10、金属封装管壳引脚11、金线12、单孔套管光纤模块13-1以及上述的本实施例提供的低损耗低驱动电压的高速偏振控制器芯片，偏振控制器芯片装载在金属封装管壳壳体10中，金属封装管壳引脚11通过金线12与偏振控制器芯片中的下层金属电极8和上层金属电极9连接，直条型光学波导3-1的输入端和输出端分别与单孔套管光纤模块13-1进行耦合粘接。

参考图4至图8，图8是本实用新型提出的铌酸锂电光偏振控制器芯片中刻蚀区域A的芯片横截面及引线结构示意图。刻蚀区域A通过干法刻蚀技术刻蚀掉该部分的铌酸锂单晶薄膜7，露出该区域中的下层金属电极8，并通过超声金丝球焊等技术在下层金属电极8与金属封装管壳壳体10上的金属封装管壳引脚11进行键合引线。本实施例提供的低损耗低驱动电压的高速偏振控制器芯片中的上层金属电极9也通过金线12与金属封装管壳壳体10上的金属封装管壳引脚11连接。

图9是现有量子保密通信系统所使用的光量子偏振态控制装置及其原理示意图，包括：光纤挤压型偏振控制器和光纤型偏振分束器。在现有光量子偏振态控制装置中，光纤挤压型偏振控制器和光纤型偏振分束器是分立的光学元件，采用光纤进行连接。

参考图10至图12，图10至图12是本实用新型实施例提供的一种光量子偏振态控制模块，包括：基底晶片5、下粘接层6、铌酸锂单晶薄膜7、直条型光学波导3-1、定向耦合器型光学波导3-2、下层金属电极8、上层金属电极9、刻蚀区域A、金属封装管壳壳体10、金属封装管壳引脚11、金线12、输入端光纤模块13-1、输出端光纤模块13-2。

基底晶片5为光学级、双面抛光的铌酸锂或石英晶片，其厚度为0.1mm至2mm；

下粘接层6为氧化物薄膜，其材料可以选择氧化硅、氧化铝或氮化硅等。下粘接层6位于基底晶片5与铌酸锂薄膜7之间，厚度为0.1μm至5μm，作为粘接层以实现基底晶片5与铌酸锂薄膜7之间的键合；

铌酸锂薄膜7具有单晶结构，切向为X切Z传或Y切Z传，厚度为0.1μm至10μm；

直条型光学波导3-1为钛扩散波导，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至5μm；

下层金属电极8为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导3的正下方、掩埋于下粘接层6中。

上层金属电极9为金或铝薄膜电极，金属薄膜厚度为0.1μm至30μm，位于直条型光学波导3-1的上方并分置于直条型光学波导3-1的左右两侧，形成共面电极结构。

刻蚀区域A通过采用干法刻蚀技术将该区域的铌酸锂单晶薄膜7进行刻蚀，露出刻蚀区域A部分的下层金属电极8，以实现下层金属电极8与金属封装管壳引脚11进行引线连接。

定向耦合器型光学波导3-2为钛扩散波导，采用定向耦合器型结构，其扩散宽度为0.1μm至10μm，扩散深度为0.1μm至10μm，耦合波导间距为1μm至20μm。通过控制定向耦合器的光学波导宽度、耦合波导间距等参数，可实现对TE模式和TM模式的分束，使TE模式光能量和TM模式光能量从定向耦合器型光学波导的不同输出端口输出。

图11是本实用新型提供的光量子偏振态控制模块的工作原理示意图。直条型光学波导3-1的输入端接收经过光纤传输、携带有量子密钥信息的光量子，经过本实施例提供的偏振控制器对光量子偏振态进行控制，经定向耦合器型光学波导3-2的耦合作用，其TE模式分量与TM模式分量分别从定向耦合器型光学波导3-2输出端的两个端口输出，其中一个偏振模式(如TE模式)的光量子抵达干涉分束器与另一量子信道传输的同偏振模式(如TE模式)的光量子进行干涉，另一个偏振模式(如TM模式)的光量子抵达单光子探测器(InGaAs/InP雪崩二极管)，其计数信息作为本实施例的偏振控制器的反馈信号，以确保最大数量的光量子可通过偏振控制器的输出端口并进入干涉分束器。

图12是本实用新型实施例提供的用于进行光量子偏振态控制模块封装的结构示意图，包括：金属封装管壳壳体10、金属封装管壳引脚11、金线12、单孔套管光纤模块13-1、双孔套管光纤模块或双套管光纤模块13-2以及本实施例提供的上述光量子偏振态控制模块芯片。光量子偏振态控制模块芯片装载在金属封装管壳壳体10中，金属封装管壳引脚11通过金线12与光量子偏振态控制模块芯片中的下层金属电极8和上层金属电极9连接，直条型光学波导3-1的输入端、定向耦合器型光学波导3-2的输出端分别与单孔套管光纤模块13-1、双孔套管光纤模块或双套管光纤模块13-2进行耦合粘接。

单孔套管光纤模块13-1包括单孔的铌酸锂套管或玻璃套管以及一根单模光纤或保偏光纤，粘接于直条型光学波导3-1的输入端。双孔套管光纤模块或双套管光纤模块13-2包括双孔的铌酸锂套管或玻璃套管，或两个单孔的铌酸锂套管或玻璃套管，套管的双孔或两个单孔各穿有一根单模光纤或保偏光纤，双孔套管光纤模块或双套管光纤模块13-2粘接于定向耦合器型光学波导3-2的输出端。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。