一种集成式偏振-波分解复用器及其制备方法

1.本发明涉及光通信领域，特别是一种集成式偏振-波分解复用器及其制备方法。


背景技术：

2.目前，在相干光通信中，波分复用与偏振复用是最为广泛的信号复用方式，可以极大地扩展通信容量。波分复用是在不同频率的光载波上加载不同的信道，偏振复用则是在两个正交的偏振态上加载两组不同的波分复用信号。偏振解复用器/波分解复用器是相干光通信接收端的重要设备，分别能够将两个正交偏振态上的光矢量/不同波长的光载波分离，从而分别获取加载于其上的光信号，由于波分复用与偏振复用技术的不可或缺，其对应的解复用器在光通信、光传感等技术领域有着广泛的应用。
3.为了实现偏振/波分解复用，现有技术通常是将偏振分束器与阵列波导光栅等色散器件相结合，通过偏振分束器将两个正交的偏振态分离，再将两路分开的偏振光分别通过色散器件将不同加载于不同载频的信号分配到对应信道的接收端口。这种方法的缺陷在于，偏振解复用与波长解复用设备是分立的，不便于集成光路的设计以及器件的整合。故需要提出一种新的偏振-波分解复用装置，用于解决现有技术中存在的不足。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，提供一种集成式偏振-波分解复用器及其制备方法，用于解决现有技术中偏振解复用与波长解复用设备分立，不利于集成光路设计以及器件整合的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明所提供的第一解决方案为：一种集成式偏振-波分解复用器，包括基底，以及设置于基底上的条形波导、第一接收单元和第二接收单元，第一接收单元和第二接收单元分别设置于条形波导的两侧，沿入射光传播方向条形波导的尾端依次设置有双折射波导和反射膜；条形波导内设有布儒斯特倾斜波导光栅，入射光经布儒斯特倾斜波导光栅后分为第一衍射光和透射光，第一衍射光由第一接收单元接收，透射光依次经双折射波导和反射膜后，反射回到布儒斯特倾斜波导光栅处并产生第二衍射光，第二衍射光由第二接收单元接收。
6.优选的，双折射波导为四分之一波片，第一衍射光为s偏振光，透射光为p偏振光。
7.优选的，双折射波导具有预设长度的双折射区段，双折射区段由一段式双折射波导构成，双折射波导的快轴方向与第一衍射光的传播方向呈45
°
夹角，双折射区段的预设长度h满足：
[0008][0009]
其中，λc为入射光波段的中心波长，b为沿快轴方向和慢轴方向双折射波导的折射率之差。
[0010]
优选的，布儒斯特倾斜波导光栅为周期排布的平行光栅阵列结构，在平行于基底
的方向上，布儒斯特倾斜波导光栅与条形波导的夹角ξ满足：
[0011][0012]
其中n1为条形波导的折射率，δn为调制条形波导折射率的调制深度。
[0013]
优选的，布儒斯特倾斜波导光栅的折射率n满足：
[0014]
n＝n1+δncos(kgz+k
t
r sinφ)
[0015]
其中r、φ、z分别为空间柱坐标系的径向、角向和轴向坐标，n1为条形波导的折射率，δn为调制条形波导折射率的调制深度；kg与k
t
分别为布儒斯特倾斜波导光栅波矢的纵向分量与横向分量，其分别满足：
[0016]
式中λ为布儒斯特倾斜波导光栅的光栅周期。
[0017]
优选的，第一接收单元包括第一波导微透镜和第一接收波导阵列，第一衍射光经第一波导微透镜聚焦后传递至第一接收波导阵列处接收；第二接收单元包括第二波导微透镜和第二接收波导阵列，第二衍射光经第二波导微透镜聚焦后传递至第二接收波导阵列处接收。
[0018]
优选的，第一接收波导阵列与第二接收波导阵列具有相同的排布周期，且相邻波导结构的间隔距离满足：
[0019]
d＝d(λ)δ
λ
l；
[0020]
其中，d为第一接收波导阵列或第二接收波导阵列中相邻波导结构的间隔距离，d(λ)为布儒斯特倾斜波导光栅的角色散，δ
λ
为相邻信道的波长间隔，l为第一衍射光由布儒斯特倾斜波导光栅到被第一接收波导阵列的总光程。
[0021]
优选的，布儒斯特倾斜波导光栅的角色散d(λ)满足：
[0022][0023]
其中，γ为衍射角，λ为入射光波长，kz为入射光波矢沿z轴的分量，k0为入射光波矢，n1为条形波导折射率。
[0024]
优选的，反射膜的反射谱带宽大于或等于集成式偏振-波分解复用器的使用频带区域宽度。
[0025]
为解决上述技术问题，本发明所提供的第二解决方案为：一种集成式偏振-波分解复用器的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中的集成式偏振-波分解复用器，包括如下步骤：制备条形波导：采用离子注入法或聚合物旋涂成膜方式在基底上制备条形波导；制备双折射波导：采用具有双折射特性的聚合物材料或铌酸锂材料作为双折射波导，并将双折射波导设置于条形波导的尾端处；制备布儒斯特倾斜波导光栅：采用紫外双光束干涉法或聚焦离子束刻蚀法，沿入射光传播方向刻写出具有折射率周期变化特征的布儒斯特倾斜波导光栅，所制备的布儒斯特倾斜波导光栅位于条形波导的输入端口与双折射波导之间；制备反射膜：在双折射波导远离条形波导一端设置反射膜；制备第一接收单元和第二接收单元：采用基底刻蚀或金属化学气相沉积法制备第一波导微透镜和第二波导微透镜，再采用加热模压法或软光刻法制备第一接收波导阵列和第二接收波导阵列。
[0026]
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种集成式偏振-波分解复用器及其制备方法，通过布儒斯特倾斜波导光栅、双折射波导和反射膜的设置，实现了单块波导器件上同时具备偏振解复用和波分解复用的功能，解决了现有偏振解复用与波长解复用设备器件分立，不利于集成光路设计以及器件整合的问题。
附图说明
[0027]
图1是本发明中集成式偏振-波分解复用器一实施方式的结构示意图；
[0028]
图2是本发明中集成式偏振-波分解复用器制备方法一实施方式的流程图；
[0029]
图3是本发明中集成式偏振-波分解复用器的原理图；
[0030]
图中：1-基底，2-条形波导，3-布儒斯特倾斜波导光栅，4-双折射波导，5-反射膜，6-第一接收单元，61-第一波导微透镜，62-第一接收波导阵列，7-第二接收单元，71-第二波导微透镜，72-第二接收波导阵列。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
[0032]
请参阅图1，对于本发明所提供的第一解决方案，提供了一种集成式偏振-波分解复用器，该集成式偏振-波分解复用器包括基底1，以及设置于基底1上的条形波导2、第一接收单元6和第二接收单元7，第一接收单元6和第二接收单元7分别设置于条形波导2的两侧，沿入射光传播方向条形波导2的尾端依次设置有双折射波导4和反射膜5；条形波导2内设有布儒斯特倾斜波导光栅3，入射光经布儒斯特倾斜波导光栅3后分为第一衍射光和透射光，第一衍射光由第一接收单元6接收，透射光依次经双折射波导4和反射膜5后，反射回到布儒斯特倾斜波导光栅3处并产生第二衍射光，第二衍射光由第二接收单元7接收；通过布儒斯特倾斜波导光栅3、双折射波导4和反射膜5的设置，同时实现了偏振解复用和波分解复用的功能，并且该装置结构紧凑，解决了现有偏振解复用与波长解复用设备器件分立，不利于集成光路设计以及器件整合的问题。下面对上述集成式偏振-波分解复用器的各组成部分进行详细描述。
[0033]
本实施方式中，双折射波导4为四分之一波片，第一衍射光为s偏振光，透射光为p偏振光；沿光路传播方向，双折射波导4设置于布儒斯特倾斜波导光栅3之后，先通过布儒斯特倾斜波导光栅3一侧使入射光的s偏振态和p偏振态分离，再通过双折射波导4和反射膜5将p偏振态的透射光转换为s偏振态，并再次反射至布儒斯特倾斜波导光栅3的另一侧耦合导出。
[0034]
具体地，双折射波导4为预设长度的双折射区段，双折射区段由一段式双折射波导构成，双折射波导4的快轴方向与第一衍射光的传播方向呈45
°
夹角，双折射区段的预设长度h满足：
[0035]
[0036]
(1)式中，λc为入射光波段的中心波长，b为沿快轴方向和慢轴方向双折射波导的折射率之差。
[0037]
具体地，布儒斯特倾斜波导光栅3为周期排布的平行光栅阵列结构，在平行于基底的方向上，布儒斯特倾斜波导光栅3与条形波导2的夹角ξ满足：
[0038][0039]
(2)式中n1为条形波导的折射率，δn为调制条形波导折射率的调制深度。
[0040]
具体地，布儒斯特倾斜波导光栅3的折射率n满足：
[0041]
n＝n1+δncos(kgz+k
t
r sinφ)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0042]
以基底1所在平面为x-y平面建立空间坐标系，垂直x-y平面方向为z轴方向，(3)式中r、φ、z分别为空间柱坐标系的径向、角向和轴向坐标；n1为条形波导的折射率，δn为调制条形波导折射率的调制深度；kg与k
t
分别为布儒斯特倾斜波导光栅波矢的纵向分量与横向分量，其分别满足：
[0043][0044][0045]
(4)式和(5)式中λ为布儒斯特倾斜波导光栅的光栅周期。
[0046]
本实施方式中，第一接收单元6包括第一波导微透镜61和第一接收波导阵列62，第一衍射光经第一波导微透镜61聚焦后传递至第一接收波导阵列62处接收；第二接收单元7包括第二波导微透镜71和第二接收波导阵列72，第二衍射光经第二波导微透镜71聚焦后传递至第二接收波导阵列72处接收，从而实现对两种偏振光信号的接收。此处，第一波导微透镜61和第二波导微透镜71可以是在石英基底上刻制的光学曲面透镜结构，也可以采用如纳米金属棒阵列等超材料来构成超透镜；这两组波导微透镜的作用在于，将被布儒斯特倾斜波导光栅耦合出射的第一衍射光和第二衍射光进行聚焦，将不同波长信道的衍射光分别聚焦到接收波导阵列的对应端口上；由于单一波长信道对应的辐射模横向/纵向均近似为平行光，所以两组接收波导阵列的端口应置于所对应波导微透镜的焦平面上，以便更好的接收衍射光信号。
[0047]
具体地，第一接收波导阵列62与第二接收波导阵列72具有相同的排布周期，且相邻波导结构的间隔距离满足：
[0048]
d＝d(λ)δ
λ
l
ꢀꢀꢀ
(6)
[0049]
(6)式中，d为第一接收波导阵列62或第二接收波导阵列72中相邻波导结构的间隔距离，d(λ)为布儒斯特倾斜波导光栅3的角色散，δ
λ
为相邻信道的波长间隔，l为第一衍射光由布儒斯特倾斜波导光栅3到被第一接收波导阵列62的总光程。
[0050]
布儒斯特倾斜波导光栅3具有将在条形波导2中传输的s偏振光以一定衍射角耦合导出条形波导2的特性，但在耦合过程中会产生色散，而色散的程度通过角色散d(λ)进行描述，角色散是辐射光波矢的出射角对波长的偏微分，影响角色散的因素包括布儒斯特倾斜波导光栅的倾角与周期，此处布儒斯特倾斜波导光栅的角色散d(λ)满足：
[0051]
[0052]
(7)式中，γ为衍射角，λ为入射光波长，kz为入射光波矢沿z轴的分量，k0为入射光波矢，n1为条形波导折射率。
[0053]
本实施方式中，反射膜5可以采用金膜等金属反射膜，也可以采用高反射的其他介质反射膜，但反射膜5的反射谱带宽需要大于或等于集成式偏振-波分解复用器的使用频带区域宽度，才能实现对使用频带的入射光执行偏振-波分解操作。
[0054]
请参阅图2，对于本发明所提供的第二解决方案，提供了一种集成式偏振-波分解复用器的制备方法，该制备方法用于制备前述第一解决方案中的集成式偏振-波分解复用器，包括如下步骤：
[0055]
(1)制备条形波导。本步骤中，可采用离子束注入法通过改变基底材料的折射率制备得到条形波导，也可以采用聚合物旋涂成膜的方式制备条形波导，条形波导的折射率大于基底的折射率，并在条形波导一端设置入射光输入端口。
[0056]
(2)制备双折射波导。本步骤中，采用具有双折射特性的聚合物材料或铌酸锂材料作为双折射波导，该双折射波导是具有一段式高折射率特性的四分之一波片，将双折射波导设置于条形波导的尾端处。
[0057]
(3)制备布儒斯特倾斜波导光栅：本步骤中，可将掩膜版相对条形波导倾斜放置方向，并产生倾斜
±
1级衍射光的干涉条纹，从而在条形波导上刻写出周期性折射率变化的光栅结构，得到布儒斯特倾斜波导光栅；也可以采用飞秒激光直写方法，使用超快激光器在条形波导上直接写入折射率调制结构，得到布儒斯特倾斜波导光栅；还可以采用聚焦离子束刻蚀法，在条形波导上刻写折射率调制结构，得到布儒斯特倾斜波导光栅；说制备的布儒斯特倾斜波导光栅位于条形波导的输入端口与双折射波导之间，且相对于条形波导呈倾斜状阵列排布。
[0058]
(4)制备反射膜。本步骤中，采用高反射特性的金属或其他介质材料，在双折射波导远离条形波导一端镀上反射膜。
[0059]
(5)制备第一接收单元和第二接收单元。本步骤分为波导微透镜制备和接收波导阵列制备两个步骤：
[0060]
a.波导微透镜制备：可通过直接蚀刻基底获得具有光学曲面的聚焦结构，作为波导微透镜；也可采用金属化学气相沉积法等方法制备金属纳米棒阵列超材料，作为具有超分辨率的波导微透镜；所制备的第一波导微透镜和第二波导微透镜分别设置于条形波导两侧，且需要具有将近似矩形的辐射光斑进行聚焦的功能。
[0061]
b.接收波导阵列制备：可以采用加热模压法，在基底上用高精度压膜版进行周期性光波导阵列的成型，采用凹槽填充法或脊型覆盖法等方式形成接收波导阵列；也可以采用软光刻方法，采用弹性模替代热模压法中的硬模，制得接收波导阵列；第一接收波导阵列和第二接收波导阵列为等距排列的一串波导单元，两组接收波导阵列均位于近邻波导微透镜远离条形波导一侧，用于接收两组衍射光信号并作为衍射光的输出端口。
[0062]
下面通过具体实施例对上述集成式偏振-波分解复用器的原理设置方式以及原理进行说明。
[0063]
实施例1
[0064]
本实施例中制备集成式偏振-波分解复用器的具体步骤如下：
[0065]
1)采用传统聚合物光波导制备工艺，依次制备条形波导和双折射波导，其中，条形
波导为截面4μm*4μm的矩形体结构，条形波导一端设为输入端口，另一端设置双折射波导；双折射波导采用具有双折射特性的聚合物材料制备，其沿光传播方向的长度与双折射晶体数的乘积为四分之一个波长，即0.3875μm。
[0066]
2)采用蒸镀法在双折射波导远离条形波导一端镀上au金属反射膜。
[0067]
3)采用紫外双光束干涉法，将相位掩膜版相对于条形光波导倾斜放置，在条形光波导中产生干涉条纹，并对条形波导的一区段进行折射率调制，刻写得到布儒斯特倾斜波导光栅；其中，该干涉条纹的倾斜角等于由条形波导折射率n1与进行折射率调制后的n1+δn共同决定的布儒斯特角。
[0068]
4)采用热模压-凹槽填充方法，分别在布儒斯特倾斜波导光栅的两侧制备第一接收波导阵列和第二接收波导阵列；其中，两组接收波导阵列均为等距排列的一串波导单元，每一接收波导阵列中波导单元的截面长宽均为4μm，相邻波导单元之间间隔15μm。
[0069]
5)采用蚀刻基底的方法，在距离接收波导阵列f的位置刻写出柱状的波导微透镜，且近邻波导微透镜的焦距为f，分别制备出第一波导微透镜和第二波导微透镜，从而完成集成式偏振-波分解复用器的制备。
[0070]
请参阅图3，基于本实施例对集成式偏振-波分解复用器的工作原理进行阐述。本实施例中入射光为波分复用/偏振复用信号，其s偏振态与p偏振态上分别加载有位于c波段的波分复用信号(c波段区间为1530nm～1565nm)，该波分复用信号频率的信道间隔为δν，即波长信道间隔其中λ0为c波段中心波长，取1550nm。首先，入射光由条形波导2输入端口处进入装置，传递至布儒斯特倾斜波导光栅3处，一部分具有s偏振态的入射光经布儒斯特倾斜波导光栅3后衍射导出条形波导2，记为第一衍射光；这一衍射过程中，不同波长信道的光发生角色散，以不同衍射角导出条形波导2，经由第一波导微透镜61聚焦后，由第一接收波导阵列62接收第一衍射光信号；同时剩余的具有p偏振态的入射光穿透布儒斯特倾斜波导光栅3并向双折射波导4方向传播，记为透射光，具体过程如图3中a所示。然后，透射光经过双折射波导4后在反射膜5处发生反射，并向布儒斯特倾斜波导光栅3方向回传，由于双折射波导4为四分之一波片，回传期间透射光两次经过双折射波导4后，使其p偏振态转变成s偏振态，并于布儒斯特倾斜波导光栅3处衍射导出，记为第二衍射光；第二衍射光经由第二波导微透镜71聚焦后，由第二接收波导阵列72接收第二衍射光信号，具体过程如图3中b所示。随后，从第一接收波导阵列62的各端口处，输出加载在入射光信号中s偏振态上各波长信道的光；而从第二接收波导阵列72的各端口处，输出加载在入射光信号中p偏振态上各波长信道的光，从而实现了集成在单块波导器件上的偏振解复用与波分解复用功能。
[0071]
此外，本实施例中，布儒斯特倾斜波导光栅3的角色散约为0.054
°
/nm，根据角色散公式(6)和(7)，可以通过改变布儒斯特倾斜波导光栅3与接收波导阵列之间的光程，任意地设计接收波导阵列中相邻波导单元的间距，而相邻波导单元的间距直接影响接收信号的串扰程度，则可通过调节相邻波导单元的间距来实现接收信号的低串扰。
[0072]
区别于现有技术的情况，本发明提供一种集成式偏振-波分解复用器及其制备方法，通过布儒斯特倾斜波导光栅、双折射波导和反射膜的设置，实现了单块波导器件上同时具备偏振解复用和波分解复用的功能，解决了现有偏振解复用与波长解复用设备器件分立，不利于集成光路设计以及器件整合的问题。
[0073]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。