一种提高偏振消光比的方法、装置及系统
阅读说明：本技术 一种提高偏振消光比的方法、装置及系统 (Method, device and system for improving polarization extinction ratio ) 是由 任梅珍 周来 于 2020-12-08 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种提高偏振消光比的方法、装置及系统,其中,提高偏振消光比的方法,包括：确定宽波导的长度；确定宽波导的长度后,对相移波导的长度进行调节,获得相移波导的均衡后长度；确定相移波导的均衡后长度,再对宽波导的长度进行调节,获得宽波导的调节后长度；根据相移波导的均衡后长度和宽波导的调节后长度对TE模和TM模的消光比进行判断,若满足预设条件,则确定均衡后相移波导的长度和调节后宽波导的长度为调节参数,根据调节参数进行偏振消光比调节；若不满足预设条件,则重新确定宽波导的长度。本申请同时优化宽波导L1w和相移波导L2n-1的长度,调节MZI两臂之间的双折射和臂长差,使PBS的两个输出端的PER同时得到提高。(The application discloses a method, a device and a system for improving polarization extinction ratio, wherein the method for improving the polarization extinction ratio comprises the following steps: determining the length of the wide waveguide; after the length of the wide waveguide is determined, the length of the phase shift waveguide is adjusted to obtain the balanced length of the phase shift waveguide; determining the balanced length of the phase shift waveguide, and adjusting the length of the wide waveguide to obtain the adjusted length of the wide waveguide; judging the extinction ratios of the TE mode and the TM mode according to the equalized length of the phase shift waveguide and the adjusted length of the wide waveguide, if the preset conditions are met, determining the length of the equalized phase shift waveguide and the adjusted length of the wide waveguide as adjusting parameters, and adjusting the polarization extinction ratio according to the adjusting parameters; and if the preset condition is not met, re-determining the length of the wide waveguide. The method simultaneously optimizes the lengths of the wide waveguide L1w and the phase-shift waveguide L2n _1, and adjusts the birefringence and the arm length difference between the two arms of the MZI, so that the PERs of the two output ends of the PBS are simultaneously improved.)
技术领域
本申请涉及集成光学技术领域，尤其涉及一种提高偏振消光比的方法、装置及系统。
背景技术
硅基二氧化硅偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)具有损耗低、便于集成的优点。基于硅基二氧化硅平台来制作PBS，有几种方案：第一种是在上包层上面溅射非晶硅(amorphous-Si)薄膜来控制波导的双折射，该方案需要激光微调(Laser Trimming)技术来对波导双折射进行精确控制，工艺复杂。第二种是在对称的MZI(Mach-Zehnderinterferometer，马赫曾德干涉仪)中插入λ/4波片的薄膜来改变TE和TM模的光程差(其中，λ表示波长，TE和TM表示光的偏振模式)，该方案可以降低器件对温度和波长的依赖性。第三种是在MZI的两臂上刻蚀沟槽并填充低折射率的材料，来改变两臂的双折射，该方案可以实现高的偏振消光比(大于30dB)。第四种是利用硅基二氧化硅波导的双折射与波导芯区宽度有关的效应来实现PBS，该方案不需要特殊的工艺，如淀积非晶硅薄膜、激光微调技术、刻蚀沟槽等，而且具有低的插入损耗和大于20dB的偏振消光比。第四种方案实现的PBS具有工艺简单、损耗低、方便与PLC平台的其他器件集成等优点。
偏振分束器的偏振消光比(Polarization Extinction Ratio,PER)是其重要的评价指标。由于二氧化硅波导的双折射较小和工艺误差等原因，基于不同宽度波导的双折射原理的PBS的PER一般较小。为了解决该问题，一般的方法是在MZI的两臂中引入相位差来补偿TE和TM模之间的相位误差。补偿之后，器件的PER可以达到20dB。
发明内容
本申请的目的在于提供一种提高偏振消光比的方法、装置及系统，采用同时优化宽波导L1w和相移波导L2n_1的长度，调节MZI两臂之间的双折射和臂长差，使PBS的两个输出端的PER同时得到提高。
为达到上述目的，本申请提供一种提高偏振消光比的方法，包括：确定宽波导的长度；确定宽波导的长度后，对相移波导的长度进行调节，获得相移波导的均衡后长度；确定相移波导的均衡后长度，再对宽波导的长度进行调节，获得宽波导的调节后长度；根据相移波导的均衡后长度和宽波导的调节后长度对TE模和TM模的消光比进行判断，若满足预设条件，则确定相移波导的均衡后长度和宽波导的调节后长度为调节参数，根据调节参数进行偏振消光比调节；若不满足预设条件，则重新确定宽波导的长度。
如上的，其中，预设条件为TE模和TM模的消光比均大于30dB。
如上的，其中，相移波导的均衡后长度为1920μm，宽波导的调节后长度为3650μm。
本申请还提供一种偏振分束器，包括：第一耦合器和第二耦合器；其中，第一耦合器具有第一输出端和第二输出端；第二耦合器具有第三输入端和第四输入端；第一输出端与第一窄波导、第一锥形过渡波导、宽波导、第二锥形过渡波导和第二窄波导依次连接，第二窄波导与第三输入端连接；第二输出端与相移波导、第三锥形过渡波导、第四锥形过渡波导和第三窄波导依次相连，第三窄波导与第四输入端连接；其中，宽波导的调节后长度和相移波导的均衡后长度通过上述的提高偏振消光比的方法获得。
如上的，其中，第一耦合器和第二耦合器均采用定向耦合器、Y型耦合器或MMI型耦合器中的任意一种。
本申请还提供一种解码芯片，包括：上述的偏振分束器、半波片、非对称马赫曾德干涉仪和相位调制电极；偏振分束器与半波片连接；半波片与非对称马赫曾德干涉仪连接；非对称马赫曾德干涉仪和相位调制电极连接。
如上的，其中，偏振分束器与半波片通过波导连接；半波片与非对称马赫曾德干涉仪通过波导连接；非对称马赫曾德干涉仪和相位调制电极通过波导连接。
本申请还提供一种编解码系统，包括通过光纤连接的编码端和解码端，其中，解码端中包括上述的解码芯片。
如上的，其中，编码端包括依次连接的皮秒脉冲激光器、编码芯片、铌酸锂相位调制器A、衰减器；解码端还包括铌酸锂相位调制器B，铌酸锂相位调制器B分别与衰减器和解码芯片连接。
如上的，其中，皮秒脉冲激光器、编码芯片、铌酸锂相位调制器A和衰减器通过光纤依次连接；铌酸锂相位调制器B分别与衰减器和解码芯片通过光纤连接。
本申请采用同时优化宽波导L1w和相移波导L2n_1的长度，调节MZI两臂之间的双折射和臂长差，使PBS的两个输出端的PER同时得到提高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为偏振分束器一种实施例的结构示意图；
图2为解码芯片一种实施例的结构示意图；
图3为QKD双偏振相位编解码系统一种实施例的结构示意图；
图4为调节偏振消光比的方法一种实施例的流程图；
图5为当宽波导的长度L1w为4000μm时，调节相移波导L2n_1的长度，其TE和TM模在两个输出端口的损耗变化曲线；其中IL为器件的插入损耗；
图6为当L2n_1为1920μm，改变宽波导L1w的长度，TE和TM模在两个输出端口的损耗变化曲线。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请提供一种偏振分束器，包括第一耦合器1和第二耦合器2；其中，第一耦合器1具有第一输出端11和第二输出端12；第二耦合器2具有第三输入端21和第四输入端22。第一输出端11与第一窄波导L1n_1、第一锥形过渡波导、宽波导L1w、第二锥形过渡波导和第二窄波导L1n_2依次连接，第二窄波导L1n_2与第三输入端21连接。第二输出端12与相移波导L2n_1、第三锥形过渡波导、第四锥形过渡波导和第三窄波导L2n_2依次连接，第三窄波导L2n_2与第四输入端22连接；在MZI的这个臂上也引入锥形过渡波导是为了平衡两臂的光程差和传输损耗。其中，宽波导L1w的调节后长度和相移波导L2n_1的均衡后长度通过下述的调节偏振消光比的方法调节获得。
进一步的，第一耦合器1和第二耦合器2均采用定向耦合器、Y型耦合器或MMI型耦合器中的任意一种。
进一步的，如图2所示，本申请提供一种解码芯片，包括：上述的偏振分束器、半波片(Half-Wave Plate，HWP)、非对称马赫曾德干涉仪(Asymmetric Mach–Zehnderinterferometer，AMZI)和相位调制电极；偏振分束器与半波片连接；半波片与非对称马赫曾德干涉仪连接；非对称马赫曾德干涉仪和相位调制电极连接。本申请的解码芯片为单片集成结构，相对于现有的通过光纤实现的解码系统更小型化且精度更高。
进一步的，偏振分束器与半波片通过波导连接；半波片与非对称马赫曾德干涉仪通过波导连接；非对称马赫曾德干涉仪和相位调制电极通过波导连接。
具体的，在BB84量子密钥分发系统(QKD)中，偏振分束器可以用来实现QKD双偏振相位解码芯片，解码芯片结构示意图如图2所示。该解码芯片将偏振复用与相位解码结合，可以将QKD系统的成码率提高两倍，且不需要高精度的单光子探测器。PBS用来将偏振正交的两个脉冲分开，其中一个脉冲(先到达Bob端)首先经过HWP，将偏振态旋转90度，这样就与另一个脉冲的偏振态保持一致；然后经过延迟线(延迟时间与Alice端一致)，这样就与另一个脉冲在时间上保持一致。另一个脉冲(后到达Bob端)经过AMZI的短臂，短臂上的相位调制电极可以用来校正相位。然后在时间上重合且偏振态一致的两个脉冲在50/50的定向耦合器上发生干涉，探测器只接收到一个光子脉冲，这样会降低对单光子探测器时间分辨率的要求。
如图3所示，本申请提供一种编解码系统(QKD双偏振相位编解码系统)，包括通过光纤连接的编码端(Alice编码端)和解码端(Bob解码端)，其中，解码端中包括上述的解码芯片。
进一步的，编码端包括依次连接的皮秒脉冲激光器(Laser)、编码芯片、铌酸锂相位调制器A(PMA)、衰减器(ATT)；解码端还包括铌酸锂相位调制器B(PMB)，铌酸锂相位调制器B分别与衰减器和解码芯片连接。
进一步的，皮秒脉冲激光器、编码芯片、铌酸锂相位调制器A和衰减器通过光纤依次连接；铌酸锂相位调制器B分别与衰减器和解码芯片通过光纤连接。
具体的，在Alice编码端，1550nm的皮秒脉冲激光器发出重复频率为1GHz、脉宽为40ps的脉冲激光，脉冲光输入到3dB的耦合器后分成两部分，一部分经过波导传输后，偏振态保持不变；另一部分经过偏振旋转器(Polarization Rotator，PR)和延迟线，AMZI的延迟时间为Δt，PR由HWP片实现，PR可以将该光的偏振态旋转90°。此时，这两个脉冲在时间上相隔Δt且偏振正交，通过3dB耦合器后输入铌酸锂相位调制器A(Phase Modulator,PM)随机加载相位有四个选择0°、90°、180°、270°。对脉冲对进行强衰减后，使输入到光纤中的脉冲平均强度为每个脉冲对含有0.1-0.2个光子。脉冲对经过光纤传输后，到达Bob解码端，首先经过铌酸锂相位调制器B随机加载相位有两个选择0°或90°。然后脉冲对输入到解码芯片中，解码芯片的工作原理如上所述，输出结果与Alice编码端和Bob解码端的相位调制器之间的相位差有关，当相位差时，输出脉冲将从Arm“0”输出；当相位差时，输出脉冲将从Arm“1”输出；当相位差或270°时，输出脉冲有可能出现在APD(单光子探测器)“0”，也有可能出现在APD“1”，经过公开筛选后，该部分数据将被舍去。
如图4所示，本申请提供一种提高偏振消光比的方法，包括如下步骤：
S610：确定宽波导的长度。
具体的，确定宽波导L1w的长度，其中，宽波导L1w的长度的值为：2000μm～6000μm之间。
S620：确定宽波导的长度后，对相移波导的长度进行调节，获得相移波导的均衡后长度。
具体的，确定宽波导的长度后，对相移波导L2n_1的长度进行调节，确定使TE和TM模的消光比更均衡的相移波导L2n_1的长度为相移波导L2n_1的均衡后长度。
如图5所示，对于折射率差为0.75％的二氧化硅波导，当窄波导宽度为6μm，宽波导宽度为19μm时，由波导宽度引起的双折射最大，ΔB≈2.5×10-4，且该双折射主要为应力双折射。当宽波导的长度L1w为4000μm时，调节相移波导L2n_1的长度，其TE模和TM模在两个输出端口的损耗变化曲线如图5所示，当L2n_1为1890μm时，TE模达到最大的消光比为40.19dB；当L2n_1为1940μm时，TM模达到最大的消光比为39.17dB。若选择L2n_1为1890μm，TE模的消光比为40.19dB，TM模的消光比为17.82dB；若选择L2n_1为1940μm，TE模的消光比为18.51dB，TM模的消光比为39.17dB。TE和TM模无法同时达到最大的消光比，这会降低整个器件的PER。
S630：确定相移波导的均衡后长度，再对宽波导的长度进行调节，获得宽波导的调节后长度。
具体的，确定相移波导的均衡后长度，再对宽波导的长度进行调节，确定使TE和TM模的消光比最大的宽波导L1w的长度为宽波导的调节后长度。
S640：根据相移波导的均衡后长度和宽波导的调节后长度对TE模和TM模的消光比进行判断，若满足预设条件，则确定均衡后相移波导的长度和调节后宽波导的长度为调节参数，根据调节参数进行偏振消光比调节；若不满足预设条件，则重新执行S610。
具体的，预设条件为TE模和TM模的消光比均大于30dB。根据相移波导的均衡后长度和宽波导的调节后长度对TE模和TM模的消光比进行判断，若TE模和TM模的消光比均大于30dB，则相移波导L2n_1的均衡后长度和宽导波L1w的调节后长度达到最佳，若TE模和TM模的消光比中的至少一个小于或等于30dB，则重新执行S610。
进一步的，作为一个实施例，相移波导L2n_1的均衡后长度为1920μm，宽波导L1w的调节后长度为3650μm。
具体的，当相移波导L2n_1的均衡后长度为1920μm时，TE模和TM模的消光比更均衡，改变宽波导L1w的长度，得到TE模和TM模在两个输出端口的损耗变化曲线如图6所示，当宽波导L1w的调节后长度为3650μm时，TE模的消光比为35.75dB，TM模的消光比为37.23dB。此时TE和TM的消光比均大于35dB，则整个偏振分束器的偏振消光比大于35dB。
为了得到更好的PER，在实际制作PBS的参数选择中，不仅需要调节MZI两臂的臂长差，也需要调节两臂之间的双折射(即调节宽波导的长度)。而这与MZI型PBS的工作原理相关的。
具体的，MZI型PBS的工作原理如下所述：
其中，I1为port1的输入功率；I3为port3的输出功率；I4为port4的输出功率；k为两个耦合器的耦合效率(假设两个耦合器的耦合效率相等)；Δφ为MZI干涉仪的两臂之间的相位差。
其中，Δφ是两臂之间的相位差，λ是真空中的波长，Δn为波导中折射率的变化量，ΔL为臂长差的变化量。
当下列条件满足时，TE和TM模分别从ports4和ports3输出：
其中，ΔφTE为两臂之间TE模的相位差；ΔφTM为两臂之间TM模的相位差；N和M是整数。
当下列条件满足时，TE和TM模分别从ports3和ports4输出：
其中，ΔφTE为两臂之间TE模的相位差；ΔφTM为两臂之间TM模的相位差；N和M是整数。
推导两臂之间TE模和TM模的相位差得到：
其中，λ是真空中的波长，wn是较窄波导的宽度，ww是较宽波导的宽度，nTE和nTM分别是TE和TM的模式折射率，L1(wn)为波导L1n_1+L1n_2的长度；L2(wn)是波导L2n_1+L2n_2的长度，两臂之间路径差为L2(wn)-L1(wn)-L1(ww)，ΔL为臂长差的变化量，ΔL＝L2(wn)－L1(wn)；L1(ww)是宽波导L1w的长度。
则：
将公式(6)与公式(3)联立得到：
然后得到：
其中，ΔB是波导的双折射，ΔB＝nTM-nTE，nTE和nTM分别是TE和TM的模式折射率，L1(ww)是L1w的长度。
由PBS的工作原理可知，偏振消光比与两个输出端口的TE模或TM模之间的相位差有关，当相位差为π时，可以得到理想的偏振消光比。ΔB确定后，该相位差与公式(8)中的ΔL和L1(ww)有关，即与图1中的宽波导L1w和相移波导L2n_1的长度有关，所以在参数确定时，同时优化宽波导L1w的长度和相移波导L2n_1的长度，能够使PBS的两个输出端的PER同时得到提高。
本申请采用同时优化宽波导L1w和相移波导L2n_1的长度，调节MZI两臂之间的双折射和臂长差，使PBS的两个输出端的PER同时得到提高。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，本申请的保护范围意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请保护范围及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
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