一种基于光芯片的任意偏振模式发生器

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，尤其涉及一种基于光芯片的任意偏振模式发生器。

背景技术

矢量模式（vector modes）的偏振态具有空间不均匀性，该特性使得矢量模式能广泛地应用于多个场景。特别是矢量模式集拥有正交性，从而可以被用作传输通道，能够极大地增加系统的传输容量。目前，矢量模式已经实现了千米级无数据信号处理的低误码光纤传输。而矢量模式在自由光空间的传输应用也被广泛探讨。

然而，由于矢量模式的偏振态具有空间不均匀性，使其产生过程较为复杂。例如，需要使用空间光调制器（SLM）和涡旋玻片（Q plate）的组合，或者使用数字微镜设备（Digital micromirror device），并辅以一系列自由光空间光学器件（物镜，透镜等），来产生矢量模式。

现有自由光空间系统产生偏振矢量模式的难点在于：

（1）使用的器材成本昂贵，不利于产品化。

（2）自由光空间器件的级联对于光学对准有很高的要求，发生器的稳定性差。

（3）自由光空间器材占用空间太大，发生器的集成度低，在光纤通信的实际应用中不可接受。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于光芯片的任意偏振模式发生器。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种基于光芯片的任意偏振模式发生器，包括：

设于光芯片上且形成阵列的多个偏振结构，所述阵列中的各所述偏振结构用于将目标模式偏振态拆解成对应的多个单元，使得拆解后每个所述单元的偏振态都由一个对应的所述偏振结构独立完成，以实现所需的任意偏振态的产生。

进一步地，所述偏振结构包括偏振仪，所述偏振仪设有两个输入端，通过控制进入两个所述输入端的输入光的相对光强和相位，使所述偏振仪独立输出任意偏振态的输出光。

进一步地，所述偏振仪包括二维光栅，各所述偏振仪通过各自设有的所述二维光栅形成所述阵列，通过所述二维光栅形成的所述阵列，将矢量模式的偏振态拆解为多个具有方向不同的线偏振态的所述单元。

进一步地，所述二维光栅设有两个所述输入端，通过定向耦合器和移相器控制进入所述二维光栅的两个所述输入端的输入光的相对光强和相位，使所述二维光栅输出任意偏振态的输出光。

进一步地，所述二维光栅的两个所述输入端分别连接至一个所述移相器，两个所述移相器连接至同一个所述定向耦合器，所述定向耦合器连接至光源，所述定向耦合器用于控制由所述光源输入的输入光的分光比，以控制分别进入所述二维光栅的两个所述输入端的输入光的相对光强，两个所述移相器用于分别控制进入所述二维光栅的两个所述输入端的输入光的相对相位，从而使所述二维光栅输出任意偏振态的输出光。

进一步地，所述二维光栅的两个所述输入端分别对应空间上相互垂直的x分量和y分量方向，所述二维光栅的输出端对应空间上的z分量方向。

进一步地，所述光芯片包括衬底和设于所述衬底上的波导功能层，所述二维光栅、所述定向耦合器和所述移相器设于所述波导功能层上，并通过波导相互连接，所述二维光栅朝向远离所述衬底和所述波导功能层表面的方向输出任意偏振态的输出光。

进一步地，所述波导功能层材料包括硅、氮化硅或铌酸锂。

进一步地，各所述二维光栅的结构相同或不同；和/或，各所述二维光栅的尺寸相同或不同。

进一步地，各所述二维光栅排列形成圆形的所述阵列。

由上述技术方案可以看出，本发明通过将偏振空间不均匀性模式的偏振态进行拆解，再使用偏振结构（偏振仪）产生独立的偏振，从而能实现包含矢量模式在内的任意偏振模式的产生。进一步地，通过在光芯片上采用设有二维光栅的偏振仪形成阵列，将目标模式偏振态拆解成对应的多个单元，使得每个偏振仪都具有独立产生所有偏振态的能力，并采用定向耦合器和移相器来控制二维光栅的两个输入的相对强度和相对相位，从而使用片上设计实现了偏振空间不均匀性模式的产生器。本发明可基于硅光等平台，具有成本低、稳定性好和集成度高的优点，便于产品化。

附图说明

图1为环芯光纤本征矢量模式TE

图2为本发明一较佳实施例的一种使用阵列将矢量模式的偏振拆解为多个单元时的结构示意图。

图3为本发明一较佳实施例的一种使用可调定向耦合器和移相器控制二维光栅两端输入的相对光强和相位的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供一种基于光芯片的任意偏振模式发生器，包括：设于光芯片上且形成阵列的多个偏振结构。阵列中的各偏振结构用于将目标模式偏振态拆解成对应的多个单元，使得拆解后每个单元的偏振态都由一个对应的偏振结构独立完成，以实现所需的任意偏振态的产生。

本发明通过将偏振空间不均匀性模式的偏振态进行拆解，再使用偏振结构（偏振仪）产生独立的偏振，从而使用片上设计实现了包含矢量模式在内的任意偏振模式的产生。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，本领域普通技术人员在没有作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。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

下面以矢量模式为例，对本发明的一种基于光芯片的任意偏振模式发生器进行详细说明。

参考图1。环芯光纤本征矢量模式TE

参考图2。本发明的一种基于光芯片的任意偏振模式发生器，包括设于光芯片上且形成阵列的多个偏振结构。针对矢量模式的偏振空间不均匀性，采用阵列的方式，通过阵列中的各偏振结构，将目标模式偏振态拆解成对应的多个单元。例如，根据图1所示的矢量模式，可将其对应拆解成沿圆周排列的多个单元，单元的数量与偏振结构的数量对应。拆解后，每个单元的偏振态都由一个对应的偏振结构独立完成，以实现所需的任意偏振态的产生。

在一些实施例中，偏振结构包括偏振仪，多个偏振仪沿圆周排列形成阵列。如此将目标模式偏振态拆解后，每个单元的偏振态由一个独立的偏振仪完成。即将偏振空间不均匀性模式的偏振态进行拆解，再使用偏振仪为单元产生独立的偏振。

在一些实施例中，偏振仪阵列中的偏振仪具有完全相同的设计，每个偏振仪具有独立产生所有偏振态的能力。

或者，偏振仪的具体设计不需要完全相同，满足功能性即可。

针对特定模式，偏振仪不需要产生所有可能的偏振态，满足目标模式要求即可。

在一些实施例中，偏振仪设有两个输入端，通过控制进入偏振仪两个输入端的输入光的相对光强和相位，使偏振仪独立输出任意偏振态的输出光。

在一些实施例中，偏振仪包括二维光栅。各偏振仪通过各自设有的二维光栅形成阵列，通过二维光栅形成的阵列，将矢量模式的偏振态拆解为多个具有方向不同的线偏振态的单元。

进一步地，二维光栅设有两个输入端（对应偏振仪的两个输入端），通过控制进入二维光栅两个输入端的输入光的相对光强和相位，使二维光栅独立输出任意偏振态的输出光。

在一些实施例中，各二维光栅排列形成圆形的阵列，如图2所示。

在一些实施例中，各二维光栅排列形成一阶或多阶阵列。

在一些实施例中，各二维光栅的结构相同或不同。

在一些实施例中，各二维光栅的尺寸相同或不同。

参考图3并结合参考图2。通过定向耦合器和移相器控制进入二维光栅的两个输入端的输入光的相对光强和相位，使二维光栅输出任意偏振态的输出光。

在一些实施例中，二维光栅的两个输入端方向分别对应空间上相互垂直的x分量和y分量方向，二维光栅的输出端方向对应空间上的z分量方向。即二维光栅设有一个x向输入端和一个y向输入端，x向输入端方向和y向输入端方向分别对应空间上相互垂直的x分量方向和y分量方向，二维光栅的输出端方向垂直于图面方向，与空间上的z分量方向对应。二维光栅的两个相互垂直的x向输入端和y向输入端分别连接至一个移相器的一端，两个移相器的另一端分别连接至同一个定向耦合器的两个输出端，定向耦合器的输入端连接至光源。x光路与y光路的相对强度和相对相位使用片上设计进行控制，使得其具有完全可调性。

其中，使用可调分光比的定向耦合器来控制x光路和y光路的相对强度，使用移相器来控制x光路和y光路的相对相位。定向耦合器的分光比可调，可以控制由光源输入的输入光的分光比，以控制分别进入二维光栅的x向输入端和y向输入端的输入光的相对光强，两个移相器用于分别控制进入二维光栅的两个输入端的输入光的相对相位，从而使二维光栅输出任意偏振态的输出光。因此使用片上设计实现本发明的一种基于光芯片的任意偏振模式发生器。

在一些实施例中，光芯片包括衬底和设于衬底上的波导功能层。二维光栅、定向耦合器和移相器设于波导功能层上，并通过波导相互连接。二维光栅朝向远离衬底和波导功能层表面的方向（即z向）输出任意偏振态的输出光。

在一些实施例中，波导功能层材料包括硅、氮化硅或铌酸锂。使得本发明可基于硅光平台或铌酸锂平台进行片上设计，实现本发明的一种基于光芯片的任意偏振模式发生器。

综上，本发明通过将偏振空间不均匀性模式的偏振态进行拆解，再使用偏振结构（偏振仪）产生独立的偏振，从而能实现包含矢量模式在内的任意偏振模式的产生。进一步地，通过在光芯片上采用设有二维光栅的偏振仪形成阵列，将目标模式偏振态拆解成对应的多个单元，使得每个偏振仪都具有独立产生所有偏振态的能力，并采用定向耦合器和移相器来控制二维光栅的两个输入的相对强度和相对相位，从而使用片上设计实现了偏振空间不均匀性模式的产生器。本发明可基于硅光等平台，具有成本低、稳定性好和集成度高的优点，便于产品化。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。