高偏振消光比铌酸锂波导调制器光路设计

张威　陈抱雪

摘要：

设计了一种新的光路结构，用于提高LiNbO3波导相位调制器的偏振消光比。光路特点是，在质子交换波导3 dB功分器的输入端同基构造了TiLiNbO3波导模式分离定向耦合的结构以实现TE导模与TM模分离，Y分支波导位置下沉以避免前向TM辐射模的窜扰。效果表现为，与保偏光纤端耦合寄生的TM辐射模得到了有效抑制，寄生的TM导模被定向疏散。1 550 nm波长的BPM仿真运行表明，设计光路的偏振消光比达到87 dB以上。

关键词：

光波导技术； LiNbO3波导相位调制器； 偏振消光比； 同基集成

中图分类号： TN 256文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.04.011

Abstract：

A new optical structure is designed to improve the polarization extinction ratio of LiNbO3 waveguide phase modulator.At the input of the 3 dB power divider of the proton exchange waveguide，there is a TiLiNbO3 waveguide mode separation directional coupler with the base structure for the separation of TE mode and TM mode.Ybranch waveguide is sunk to avoid scrambling of the forward TM radiation mode.The parasitic TM radiation mode with polarizationmaintaining fiber is effectively suppressed and the parasitic TM guided mode is evacuated.The BPM simulation of 1 550 nm wavelength shows that the polarization extinction ratio of the designed optical path is more than 87 dB.

Keywords：

optical waveguide technology； LiNbO3 waveguide phase modulator； polarization extinction ratio； integration with group

引言

光纖陀螺作为一种高精度的惯性测量器件，在国防和国民经济建设中有着广泛的应用[12]。其核心器件质子交换LiNbO3波导相位调制器对于光纤陀螺的精度和稳定性起着关键的作用。光纤陀螺中双折射引起的相干偏振误差不仅依赖于光纤的保偏特性，还与LiNbO3波导分光光路的偏振滤波性能有关，因为保偏光纤与LiNbO3对接耦合时寄生的交叉偏振态与主波信号相干，会造成传感误差[34]。高精度光纤陀螺对LiNbO3波导器件的偏振消光比提出高于80 dB的要求[5]，尽管质子交换技术制备的LiNbO3波导有很高的偏振度，但组装尾纤的波导器件的偏振消光比一般在50～55 dB的水平[6]。对于组装尾纤的波导，因其尾纤与LiNbO3波导的模场不匹配，输入端对接耦合时激发交叉偏振的辐射模，在输出端发生再耦合劣化了器件的偏振消光比。已见报道的改善方法有两种：一种是在LiNbO3衬底下表面涂覆吸光材料，阻止基板辐射模的反射[79]，这种方法简单便宜，但无法阻断前向辐射模，偏振消光比在60 dB的水平；另一种方法比较复杂，先沿垂直于输入直波导方向横刀切开，然后在切断面上选择性蒸镀金属膜，除了极小的、含有波导通道的截面被留白以外，其余被金属薄膜遮蔽，最后把切下的那段波导通过精密调芯和粘结固化重新对接装回[1011]，这种方法可以大幅截断前向辐射模，偏振消光比达到了85 dB，但是该方法添加的工艺过程过于复杂，制作成本高。

为了解决上述问题，本文设计了一种新的波导光路结构，在输入端导入了TiLiNbO3波导的模式分离定向耦合器。TiLiNbO3波导支持正交的两种偏振导模，可以有效缓解端面耦合寄生偏振辐射模的发生，寄生的偏振导模则通过定向耦合器被引走。波导的分光光路由质子交换波导同基构成，对于工作偏振态的导波，质子交换和Ti扩散的LiNbO3单模波导的基模模场分布十分接近，彼此对接引入的辐射模可以得到有效抑制。BPM仿真运行表明，本设计光路的偏振消光比达到87 dB以上。另外，质子交换的温度远低于Ti扩散的温度，两种工艺可以在同一LiNbO3基板上分区分时实施[12]，由于同属成熟工艺，成本有效得到了控制。

1光路结构和工作原理

用于构造高偏振消光比LiNbO3波导相位调制器的光路结构如图1所示，基板是x切y传LiNbO3衬底，区域1是一个偏振分离的定向耦合结构，采用TiLiNbO3单模波导来构成。区域2是3 dB分光光路，采用质子交换LiNbO3单模波导来构成。波导制备仿真采用了OPTIWAVE公司的BPM软件中的专用模块，钛扩散工艺仿真的设定条件是：钛模厚度和宽度分别为100 nm和4 mm，扩散温度和时间分别是1 050 ℃和2.5 h。质子交换工艺仿真的设定条件是：质子源为稀释苯甲酸，H+的质量分数为16%，开窗宽度为4 mm，交换温度和时间分别是250 ℃和4 h，退火温度和时间分别是400 ℃和2 h。工艺仿真得到的均为单模波导，其中质子交换波导显示单偏振特性，只支持TE导模。图2是两种波导的TE基模的模场分布，波长是1 550 nm，显示表明TiLiNbO3与质子交换波导具有良好的匹配效果。BPM运行表明，两根波导的对接耦合效率达到99.93%，耦合损耗为0.003 dB，其中部分损耗源于端面耦合激发了TM前向辐射模。endprint

尽管LiNbO3波导相位调制器的尾纤采用单模保偏光纤，但是保偏光纤与光源的对接耦合很难完全杜绝TM模，加上尾纤与LiNbO3波导的偏振轴对准误差以及模场的不匹配，都会导致输入端对接耦合时激发TM辐射模。本文设计的光路在输入一侧采用TiLiNbO3单模波导，目的是可以有效激发TM导模从而抑制TM辐射模。TiLiNbO3波导与单模保偏光纤端面耦合的仿真运行显示：TM模输入时，转化为Ti扩散波导TM导模的耦合效率达97.50%，而质子交换波导的耦合效率近乎为零；改为TE模输入时，与转化为TE导模的耦合效率比较接近，前者是98.08%，后者是97.82%，部分所余转化为TM辐射模。可见，在输入一侧采用Ti扩散波导，十分有利于遏制尾纤中TM导模成分向波导TM辐射模的转化。对于TE模，两种波导的效果不相上下，模场失配均会激发含TM成分的前向辐射模。BPM仿真运行显示，前向辐射模的辐射半角约为0.58°，为了避开辐射模的辐照，将波导输出端做了图1所示的必要下移。

由于Ti扩散波导同时传输两种偏振态的导模以及TiLiNbO3波导的折射率各向异性，区域1的定向耦合器被设计成具有偏振分离的效果。定向耦合器由两根平行靠近的直波导构成，耦合系数与一对偶对称和奇对称模的传播常数be和bo的差值成正比，（be-bo）不仅与一对直波导之间的间距有关，还因折射率各向异性赋予了TE模和TM模不同的数值。利用TE模和TM模具有不同耦合系数的特点，调整一对直波导的长度和间隔，可以把两个模式按图1所示那样分离。图3给出了BPM仿真运行的结果，定向耦合器的一对直波导的长度和中心间距分别是864 mm和6.5 mm，图3（a）和（b）分别是TE和TM模的传输结果，TE模的平行耦合和交叉耦合效率分别是0.40%和99.56%，TM模的平行耦合和交叉耦合效率分别是99.80%和0.06%，显示了很好的偏振分离。

区域2的质子交换LiNbO3 3 dB分光光路，采用常规Y分支波导来构成。Y分叉点较输入波导位置下沉250 mm，两根输出直波导的长度和芯中心间距分别是5 mm和127 mm，以备薄膜电极制备和光纤列阵对接，波导芯片总长是15.6 mm。质子交换LiNbO3波导具备很好的单偏振特性，通过位置下沉避免前向TM辐射模的窜扰是本结构设计的重点之一。

2设计结果

设计结果用BPM仿真运行来验证。图4给出了仿真的光路结构和运行效果，光波导的输入端与单模保偏光纤对接耦合，仿真波长是1 550 nm。图4（a）和（b）分别是TE模和TM模的运行结果，输入光功率做了归一化。对于TE模传输，Y分支的上下两个输出端的归一化输出功率分别是49.75%和49.72%，插入损耗分别为3.032 dB和3.034 dB，显示了很低的损耗和良好的功分特性。对于TM模传输，器件上部直波导输出端的归一化输出功率是99.60%，Y分支的上下两个输出端的归一化输出功率分别是1.96×10-7%和1.02×10-7%，对TM偏振的消光比分别达到87.07 dB和89.92 dB。这些结果表明，器件达到了很好的设计效果，对TE模有良好的传输和分光特性，对TM模具有高达87 dB以上的消光比。

3结论

开发设计了一种新的光路结构，用于改善LiNbO3波导相位调制器的偏振消光比。光路设计的特点是，在质子交换波导3 dB功分器的输入端，同基构造了TiLiNbO3波导模式分离定向耦合结构。设计效果体现为：与保偏光纤端耦合寄生的TM辐射模得到了有效抑制，寄生的TM导模被定向疏散。1 550 nm波长的BPM仿真运行结果显示，本设计光路的偏振消光比达到87 dB以上，具有潜在的应用价值。

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（编辑：刘铁英）endprint