本發(fā)明屬于集成光學(xué)器件，更具體地，涉及一種基于薄膜鈮酸鋰的緊湊型寬帶偏振旋轉(zhuǎn)分束器及制備方法。

背景技術(shù)：

1、光偏振自由度可以通過(guò)使用偏振分復(fù)用技術(shù)來(lái)增大光通信系統(tǒng)的容量，因此在這種情況下，對(duì)偏振的控制是十分需要的。偏振旋轉(zhuǎn)分束器是完成此功能的關(guān)鍵組件，它將兩個(gè)正交偏振的光信號(hào)分成不同的輸出端口，同時(shí)將其中一個(gè)端口的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，這種器件可以用于偏振分復(fù)用應(yīng)用中。另一方面，在光模塊中的調(diào)制單元通常都是偏振敏感器件，一般要求橫向電場(chǎng)模式偏振光工作。在光源和調(diào)制單元之間需要通過(guò)保偏光纖陣列連接，保偏光纖陣列價(jià)格昂貴，導(dǎo)致整個(gè)方案的成本大大提升。當(dāng)使用非保偏光纖陣列則需要控制偏振將偏振維持為橫向電場(chǎng)模式。

2、鈮酸鋰晶體(linbo3，簡(jiǎn)稱ln)屬于負(fù)性單軸晶體，具有非中心對(duì)稱性，其波長(zhǎng)透過(guò)范圍寬廣，約在350nm至5500nm之間。該晶體展現(xiàn)出卓越的物理性質(zhì)，涵蓋了優(yōu)良的壓電、介電、鐵電、電光、聲光和非線性光學(xué)性能。因此，它被認(rèn)為是綜合指標(biāo)最佳的鐵電材料，因其在光學(xué)領(lǐng)域的卓越性能，被賦予“光學(xué)硅”的美譽(yù)。鈮酸鋰晶體可以實(shí)現(xiàn)無(wú)源器件、有源器件、非線性器件等，傳統(tǒng)的基于體材料的鈮酸鋰也常被用于制備偏振旋轉(zhuǎn)分束器，但由于波導(dǎo)折射率差比較小，波導(dǎo)尺寸比較大，難以實(shí)現(xiàn)集成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于薄膜鈮酸鋰的緊湊型寬帶偏振旋轉(zhuǎn)分束器及制備方法，旨在解決目前器件帶寬不夠?qū)捛夜に嚾莶钶^小的問(wèn)題。其中通過(guò)設(shè)計(jì)不同的波導(dǎo)傳輸段，利用模式演化作用、模式雜化現(xiàn)象、受激拉曼絕熱路徑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了輸入光中tm0分量與te0分量的分離，并將tm0分量旋轉(zhuǎn)，得到純te0光。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于薄膜鈮酸鋰的緊湊型寬帶偏振旋轉(zhuǎn)分束器，自下而上依次包括：襯底層、埋氧層、薄膜鈮酸鋰層和介質(zhì)膜材料層，其中，

3、所述薄膜鈮酸鋰層被光刻刻蝕出模斑轉(zhuǎn)換器、模式演化器、寬度漸變錐形波導(dǎo)、第一彎曲波導(dǎo)和第二彎曲波導(dǎo)；

4、所述模式演化器包括模式演化器第一波導(dǎo)、模式演化器第二波導(dǎo)和模式演化器第三波導(dǎo)；模斑轉(zhuǎn)換器的輸出端與模式演化器第一波導(dǎo)的輸入端相連接；

5、所述模式演化器第一波導(dǎo)的輸出端、所述寬度漸變錐形波導(dǎo)和所述第一彎曲波導(dǎo)依次連接；所述模式演化器第三波導(dǎo)的輸出端與第二彎曲波導(dǎo)相連接；模式演化器第二波導(dǎo)和模式演化器第三波導(dǎo)位于模式演化器第一波導(dǎo)側(cè)面的同側(cè),模式演化器第一波導(dǎo)與模式演化器第三波導(dǎo)平行，模式演化器第二波導(dǎo)位于模式演化器第一波導(dǎo)與模式演化器第三波導(dǎo)之間，并以預(yù)設(shè)角度傾斜。

6、所述模式演化器第一波導(dǎo)、模式演化器第二波導(dǎo)、模式演化器第三波導(dǎo)寬度均保持不變。

7、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述的薄膜鈮酸鋰層為x切；

8、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述模斑轉(zhuǎn)換器由三段錐形漸變波導(dǎo)組成，用于實(shí)現(xiàn)較窄端tm0模與較寬端te1模的相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)te0模保持不變；所述模斑轉(zhuǎn)換器較窄端波導(dǎo)寬度w0小于tm0模與te1模雜化的寬度，且支持te0與tm0模式傳輸，所述模式演化器第一波導(dǎo)寬度w3大于tm0模與te1模雜化的寬度；所述模斑轉(zhuǎn)換器中三段錐形漸變波導(dǎo)寬度長(zhǎng)度根據(jù)模式演化理論，使用粒子群算法計(jì)算得出，從而實(shí)現(xiàn)在長(zhǎng)度較短的情況下，tm0模與te1模高效絕熱耦合。

9、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述模式演化器中模式演化器第一波導(dǎo)的寬度和所述模式演化器第二波導(dǎo)、所述模式演化器第三波導(dǎo)的寬度滿足|neffte1|＝|neffte0|，|neffte1|為所述模式演化器第一波導(dǎo)中te1模式的有效折射率，|neffte0|為所述模式演化器第二波導(dǎo)和所述模式演化器第三波導(dǎo)中te0模式的有效折射率。

10、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述的模式演化器由受激拉曼絕熱路徑技術(shù)所決定，由三條波導(dǎo)組成，模式演化器第一波導(dǎo)即a和模式演化器第三波導(dǎo)即c是平行的，長(zhǎng)度l相等，之間的間距足夠大以防止直接耦合，模式演化器第二波導(dǎo)即b放置在ac的中間，并以特定角度傾斜；所述模式演化器第一波導(dǎo)輸入端和模式演化器第二波導(dǎo)的間距與模式演化器第二波導(dǎo)和模式演化器第三波導(dǎo)左端口的間距相同；所述模式演化器第二波導(dǎo)與模式演化器第三波導(dǎo)左端口的間距與模式演化器第一波導(dǎo)輸出端和模式演化器第二波導(dǎo)的間距相同。

11、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述模式演化器第一波導(dǎo)通過(guò)寬度漸變錐形波導(dǎo)將寬度轉(zhuǎn)變成與第一彎曲波導(dǎo)一致；模式演化器第二波導(dǎo)、模式演化器第三波導(dǎo)、第一彎曲波導(dǎo)與第二彎曲波導(dǎo)寬度保持一致。

12、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述襯底層具體為硅襯底層、石英襯底層或藍(lán)寶石襯底層；

13、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，所述介質(zhì)膜材料層的折射率小于2，所述折射率小于2的介質(zhì)膜材料層所采用的材料為二氧化硅、氧化鋁、氮氧化硅、su8光刻膠、sog旋轉(zhuǎn)涂布玻璃中的至少一種。

14、按照本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明提供了上述基于薄膜鈮酸鋰的緊湊型寬帶偏振旋轉(zhuǎn)分束器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

15、s1.在絕緣體上薄膜鈮酸鋰表面制備圖形化的掩膜，所述絕緣體上薄膜鈮酸鋰自下而上依次包括襯底層、埋氧層和薄膜鈮酸鋰層；

16、s2.在s1得到的基片上使用薄膜刻蝕技術(shù)將圖形轉(zhuǎn)移到薄膜鈮酸鋰層上，制備模斑轉(zhuǎn)換器、模式演化器、寬度漸變錐形波導(dǎo)、第一彎曲波導(dǎo)以及第二彎曲波導(dǎo)；

17、s3.對(duì)在步驟s2所得到的基片進(jìn)行清洗，去除掩膜及再沉積；

18、s4.在s3得到的基片上通過(guò)薄膜沉積法或旋涂法覆蓋折射率小于2的介質(zhì)膜材料，即可得到基于薄膜鈮酸鋰的緊湊型寬帶偏振旋轉(zhuǎn)分束器。

19、作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選，步驟s1中，所述光刻刻蝕技術(shù)是基于步進(jìn)式光刻機(jī)、接觸式光刻機(jī)、投影式光刻機(jī)、電子束光刻或激光直寫；

20、步驟s2中，所述薄膜刻蝕技術(shù)具體為離子束刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體刻蝕；

21、步驟s3中，所述薄膜沉積法具體為物理氣相沉積與化學(xué)氣相沉積中的至少一種。

22、通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

23、1、本發(fā)明通過(guò)模斑轉(zhuǎn)換器將tm0模轉(zhuǎn)化為te1模，并利用模式演化器中的受激拉曼絕熱路徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶偏振旋轉(zhuǎn)分束。該過(guò)程有效地將輸入光中的tm0分量與te0分量分離，并對(duì)tm0分量進(jìn)行偏振旋轉(zhuǎn)，最終獲得純te0模光。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中的器件不僅顯著擴(kuò)大了工作帶寬，還大幅提高了工藝容差。采用受激拉曼絕熱路徑技術(shù)的原因在于它能夠在寬帶范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的模式轉(zhuǎn)換和偏振旋轉(zhuǎn)。受激拉曼絕熱路徑技術(shù)作為一種無(wú)損的光學(xué)過(guò)程，通過(guò)逐漸變化的光場(chǎng)，使得光子在不同能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)移。其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)光的輸入波長(zhǎng)和偏振具有較大的容忍度，從而能夠在更廣泛的頻譜范圍內(nèi)保持高效的偏振轉(zhuǎn)換和旋轉(zhuǎn)。這不僅提升了器件的帶寬，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使其在復(fù)雜的光學(xué)應(yīng)用中具備更強(qiáng)的適應(yīng)性。

24、2、本發(fā)明通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得光源與調(diào)制模塊之間無(wú)需依賴保偏光纖陣列進(jìn)行連接。該設(shè)計(jì)通過(guò)在器件中對(duì)光信號(hào)的偏振態(tài)進(jìn)行有效操控，確保單一偏振態(tài)的穩(wěn)定傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了非保偏光纖陣列的直接傳輸。這種方法不僅成功消除了對(duì)昂貴的保偏光纖陣列的依賴，還顯著降低了光模塊的系統(tǒng)成本。

25、3、本發(fā)明所采用的工藝步驟具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，并且制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，易于制備。此外，該工藝能夠很好地與現(xiàn)有的cmos工藝相兼容。同時(shí)，本發(fā)明所制造的器件最小線寬相對(duì)較大，因此在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)需依賴過(guò)于精密的光刻設(shè)備。這不僅降低了生產(chǎn)成本，還提升了工藝的可行性與普及性。