本發(fā)明屬于集成光學器件，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使用偏振分復用技術(shù)來增大光通信系統(tǒng)的容量，因此在這種情況下，對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，它將兩個正交偏振的光信號分成不同的輸出端口，同時將其中一個端口的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，這種器件可以用于偏振分復用應用中。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，一般要求橫向電場模式偏振光工作。在光源和調(diào)制單元之間需要通過保偏光纖陣列連接，保偏光纖陣列價格昂貴，導致整個方案的成本大大提升。當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模式。

2、鈮酸鋰晶體(linbo3，簡稱ln)屬于負性單軸晶體，具有非中心對稱性，其波長透過范圍寬廣，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、聲光和非線性光學性能。因此，它被認為是綜合指標最佳的鐵電材料，因其在光學領(lǐng)域的卓越性能，被賦予“光學硅”的美譽。鈮酸鋰晶體可以實現(xiàn)無源器件、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，但由于波導折射率差比較小，波導尺寸比較大，難以實現(xiàn)集成。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，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^小的問題。其中通過設計不同的波導傳輸段，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、為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，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、第一彎曲波導和第二彎曲波導；

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

5、所述模式演化器第一波導的輸出端、所述寬度漸變錐形波導和所述第一彎曲波導依次連接；所述模式演化器第三波導的輸出端與第二彎曲波導相連接；模式演化器第二波導和模式演化器第三波導位于模式演化器第一波導側(cè)面的同側(cè),模式演化器第一波導與模式演化器第三波導平行，模式演化器第二波導位于模式演化器第一波導與模式演化器第三波導之間，并以預設角度傾斜。

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

7、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述的薄膜鈮酸鋰層為x切；

8、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述模斑轉(zhuǎn)換器由三段錐形漸變波導組成，用于實現(xiàn)較窄端tm0模與較寬端te1模的相互轉(zhuǎn)換，同時te0模保持不變；所述模斑轉(zhuǎn)換器較窄端波導寬度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寬度長度根據(jù)模式演化理論，使用粒子群算法計算得出，從而實現(xiàn)在長度較短的情況下，tm0模與te1模高效絕熱耦合。

9、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述模式演化器中模式演化器第一波導的寬度和所述模式演化器第二波導、所述模式演化器第三波導的寬度滿足|neffte1|＝|neffte0|，|neffte1|為所述模式演化器第一波導中te1模式的有效折射率，|neffte0|為所述模式演化器第二波導和所述模式演化器第三波導中te0模式的有效折射率。

10、作為本發(fā)明的進一步優(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，由三條波導組成，模式演化器第一波導即a和模式演化器第三波導即c是平行的，長度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輸入端和模式演化器第二波導的間距與模式演化器第二波導和模式演化器第三波導左端口的間距相同；所述模式演化器第二波導與模式演化器第三波導左端口的間距與模式演化器第一波導輸出端和模式演化器第二波導的間距相同。

11、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述模式演化器第一波導通過寬度漸變錐形波導將寬度轉(zhuǎn)變成與第一彎曲波導一致；模式演化器第二波導、模式演化器第三波導、第一彎曲波導與第二彎曲波導寬度保持一致。

12、作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述襯底層具體為硅襯底層、石英襯底層或藍寶石襯底層；

13、作為本發(fā)明的進一步優(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、第一彎曲波導以及第二彎曲波導；

17、s3.對在步驟s2所得到的基片進行清洗，去除掩膜及再沉積；

18、s4.在s3得到的基片上通過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)明的進一步優(yōu)選，步驟s1中，所述光刻刻蝕技術(shù)是基于步進式光刻機、接觸式光刻機、投影式光刻機、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氣相沉積中的至少一種。

22、通過本發(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)實現(xiàn)寬帶偏振旋轉(zhuǎn)分束。該過程有效地將輸入光中的tm0分量與te0分量分離，并對tm0分量進行偏振旋轉(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)作為一種無損的光學過程，通過逐漸變化的光場，使得光子在不同能級之間實現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)移。其優(yōu)勢在于對光的輸入波長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，還增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使其在復雜的光學應用中具備更強的適應性。

24、2、本發(fā)明通過創(chuàng)新設計，使得光源與調(diào)制模塊之間無需依賴保偏光纖陣列進行連接。該設計通過在器件中對光信號的偏振態(tài)進行有效操控，確保單一偏振態(tài)的穩(wěn)定傳輸，從而實現(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，并且制作工藝相對簡單，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，本發(fā)明所制造的器件最小線寬相對較大，因此在生產(chǎn)過程中無需依賴過于精密的光刻設備。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。