一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器的制作方法

1.本发明涉及量子保密通信领域，特别是一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器。


背景技术：

2.连续变量量子保密通信系统采用时分复用，偏振复用技术将信号光场和本振光场在同一根长距离单模光纤中传输。传输时由于外界因素，温度，湿度等都会使单模光纤产生双折射效应，导致单模光纤中的偏振态发生变化。接收端bob需要使用动态偏振控制器将两光场的偏振恢复并锁定至线偏振态。锁定后的两光场经偏振分束器后重新分为信号光场光路和本振光路。传统的偏振控制器有三环偏振控制器，电控偏振控制器等。这些偏振控制器通常体积较大，响应速率低，功耗高。
3.硅基光电子学兴起于二十世纪八十年代，通过利用硅基集成电路上的技术来设计、制造、封装光器件和光电集成电路，在集成度、可制造性和扩展方面达到集成电路水平，从而在成本、功耗、尺寸上取得突破。已有课题组基于硅基芯片展开了动态偏振控制器的研制，文献“siliconphotonics integrated dynamic polarization controller.chin.opt.lett.,041301,2022.”中用到的是波导0
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四个锁定结构，该文献使用了二维光栅来对单模光纤和硅基光电子芯片进行光场耦合，耦合损耗较大，致使系统对光场的探测效率降低，且未充分利用硅基光电子芯片上的热相移器可确定相位的特性，未采用在单独0
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结构下双相位同时控制的方法。


技术实现要素：

4.本发明针对现有的动态偏振控制器存在的问题，设计了一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，可将任意偏振态光场锁定至任意偏振态光场。该器件采用端面耦合技术和偏振旋转分束技术，可有效减少耦合损耗，实现偏振光场的低损耗分束和合束；采用阵列光纤耦合接口fa实现同侧端面耦合输入端口和输出端口，易于耦合及封装；基于硅基光电子芯片上电控移相器的等效波导0
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结构来实现无端偏振控制；具有低成本，低功耗，小体积等特点。为此，本发明提供了一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器。
5.为了能够达到上述技术方案理论分析以及实验验证的预期效果，本发明采用了以下技术方案：
6.一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，包括有硅基光电子芯片，所述硅基光电子芯片侧部连接有输入输出结构，所述硅基光电子芯片上分别设置有与输入输出结构的输入端连接的第一端面耦合结构和与输入输出结构的输出端连接的第二端面耦合结构，所述第一端面耦合结构与第二端面耦合结构之间依次连接有第一偏振旋转分束器、第一偏振控制结构、第二偏振控制结构、第三偏振控制结构、和第二偏振旋转分束器。
7.作为上述方案的进一步改进，所述输入输出结构包括阵列光纤fa端口、第一光纤连接头和第二光纤连接头，所述阵列光纤fa端口包括有作为输入端的第一高数值孔径光纤
和作为输出端的第二高数值孔径光纤，所述第一高数值孔径光纤一端与第一端面耦合结构连接，另一端通过单模光纤连接有第一光纤连接头，所述第二高数值孔径光纤一端与第二端面耦合结构连接，另一端通过单模光纤连接有第二光纤连接头。
8.作为上述方案的进一步改进，所述第一端面耦合结构和第二端面耦合结构均构造为梯形体端面耦合结构。
9.作为上述方案的进一步改进，所述第一偏振控制结构包括有第一电控相移器和第二电控相移器，所述第一电控相移器和第二电控相移器实现0
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偏振控制功能；所述第二偏振控制结构包括有第一50/50耦合器、第三电控相移器、第四电控相移器和第二50/50耦合器，所述第一电控相移器、第一50/50耦合器、第三电控相移器、第四电控相移器、第二50/50耦合器和第六电控相移器实现45
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偏振控制功能；所述第三偏振控制结构包括有第五电控相移器和第六电控相移器，第五电控相移器和第六电控相移器实现0
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偏振控制功能。
10.作为上述方案的进一步改进，第一电控相移器由第一焊盘和第二焊盘进行供电；第二电控相移器由第三焊盘和第二焊盘供电，第二焊盘为公共端；所述第三电控相移器由第四焊盘和第五焊盘供电；第四电控相移器由第六焊盘和第五焊盘供电，第五焊盘为公共端；所述第五电控相移器由第七焊盘和第八焊盘供电；第六电控相移器由第九焊盘和第八焊盘供电，第八焊盘为公共端。
11.作为上述方案的进一步改进，第一偏振旋转分束器由第一偏振旋转部分和第一偏振分束部分构成；所述第一偏振旋转部分由第一部分刻蚀波导和第一过渡波导前半部分构成；第一偏振分束部分由第一过渡波导后半部分和第一绝热波导构成；第二偏振旋转分束器由第二偏振分束部分和第二偏振旋转部分构成；第二偏振分束部分由第二过渡波导后半部分和第二绝热波导构成；第二偏振旋转部分由第二部分刻蚀波导和第二过渡波导前半部分构成。
12.作为上述方案的进一步改进，所述第一偏振控制结构和第二偏振控制结构之间连接有第一补偿波导，以保证从第一偏振分束器到第一50/50耦合器之间的波导长度相等；第二偏振控制结构和第二偏振旋转分束器之间连接有第二补偿波导，以保证从第二50/50耦合器到第二偏振分束器之间的波导长度相等。
13.一种应用基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器的控制方法，包括以下步骤：
14.步骤一：外界单模光纤中的任意偏振态光场经输入输出结构中的第一光纤连接头输入至第一高数值孔径光纤中进行模斑转换，模斑匹配后传输至第一端面耦合结构后，模斑进一步转换后传输至第一偏振旋转分束器中，进入第一偏振旋转分束器中的任意偏振态光场分为tm模式的基模光场tm0模和te模式的基模光场te0模，其中tm0模式光场经第一偏振旋转部分转化为te模式的高阶模光场te1模，te0模式光场不发生转化；然后te1模式光场和te0模式光场进入到第一偏振分束部分中，te0模式光场沿第一过渡波导输出且模式不发生转化，从第一偏振旋转分束器的第一过渡波导端口输出，te1模式光场从第一过渡波导耦合至第一绝热波导中，从第一偏振旋转分束器的第一绝热波导端口输出，且模式转化为te0，从第一偏振旋转分束器中输出两束偏振都为te0模式的光；
15.步骤二：从第一偏振旋转分束器中输出的两束te0模式的光场依次进入到第一偏振控制结构、第二偏振控制结构和第三偏振控制结构中；第一偏振控制结构、第二偏振控制结构、第三偏振控制结构均使用电控相移器来产生相位延迟量；
16.步骤三：经过三个偏振锁定结构后，从第三偏振控制结构中输出的两束te0模式的光场进入到第二偏振旋转分束器中，从第六电控相移器中出来的光进入到第二过渡波导中，从第五电控相移器中出来的光进入到第二绝热波导中，第二过渡波导中te0模式的光仍以te0模式沿着第二过渡波导传输且模式不发生改变，第二绝热波导中te0模式的光在第二偏振分束部分从第二绝热波导中耦合到第二过渡波导中且模式转化为te1模式，两束光合为一束，然后进入到第二偏振旋转部分，第二偏振旋转部分将te1模式转化为tm0模式，te0模式不发生转化，之后tm0和te0两种模式的光输入到第二端面耦合结构中，经过模斑转换并匹配后再输出至输入输出结构中的第二高数值孔径光纤中，模斑再次转换后经第二光纤接头输出。
17.与现有技术相比本发明具有以下优点：
18.1、本发明采用阵列端面耦合结构能够与阵列高数值孔径光纤进行模斑匹配以及耦合封装。端面耦合结构可以将芯片内波导的模斑半径与高数值孔径光纤的模斑半径进行良好的模式匹配，以减小二者模斑半径差带来的损耗，实现较低的耦合损耗，约2db。在1550nm波段，单模波导的模斑尺寸为0.4μm左右，经端面耦合结构后模斑半径扩大至3.5μm。该尺寸与高数值孔径光纤的3.5μm模斑尺寸相匹配。
19.2、本发明采用波导0
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结构对光场的偏振态进行锁定，通过三个偏振锁定结构，实现偏振态的无端控制，可将任意输入偏振态锁定到任意所需输出偏振态，并且能实现大于25db的动态消光比。该动态偏振控制器充分利用了电控相移器精确控制相位的特性，以及同一偏振控制结构可双电压控制的特性，无需0
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结构。
20.3、本发明所设计的动态偏振控制器采用了硅基光电子集成技术，相比传统动态偏振控制器，具有体积小、功耗低、成本低等优点，便于在量子通信等量子信息技术领域的规模化生产和应用。
附图说明
21.图1为本发明中一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器的结构示意图；
22.图2为本发明中端面耦合结构的结构示意图；
23.图3为本发明中第一偏振旋转分束器的结构示意图；
24.图4为本发明中第二偏振旋转分束器的结构示意图；
25.图5为本发明实施例中的实验装置图；
26.图6：为本发明实施例中的电控相移器的消耗功率与相移关系图；
27.图7：为应用本发明具体实施方式进行实验后得出的偏振锁定结果图；
28.图中：硅基光电子芯片1，输入输出结构2，第一端面耦合结构3，第一偏振旋转分束器4，第一偏振控制结构5，第二偏振控制结构6，第三偏振控制结构7，第二偏振旋转分束器8，第二端面耦合结构9，阵列光纤fa端口10，第一高数值孔径光纤11，第二高数值孔径光纤12，第一光纤连接头13，第二光纤连接头14，第一电控相移器15，第二电控相移器16，第一50/50耦合器17，第三电控相移器18，第四电控相移器19，第二50/50耦合器20，第五电控相移器21，第六电控相移器22，第三焊盘23，第一焊盘24，第二焊盘25，第六焊盘26，第四焊盘27，第五焊盘28，第九焊盘29，第七焊盘30，第八焊盘31，第一补偿波导32，第二补偿波导33，第一偏振旋转部分34，第一偏振分束部分35，第二偏振分束部分36，第二偏振旋转部分37，
1550nm光纤尾纤dfb激光器38，可调光衰减器39，50/50分束器40，第一功率计41，手动偏振控制器42，偏振分束器43，第二功率计44，光电探测器45，usb6259采集卡采集端46，电脑控制端47，usb6259采集卡输出端48，第一部分刻蚀波导49，第一过渡波导50，第一绝热波导51，第二部分刻蚀波导52，第二过渡波导53，第二绝热波导54。
具体实施方式
29.为了进一步阐述本发明的技术方案，在上述发明内容所记载的保护范围内，下面我们通过选取最优的实施例对本发明的具体实施方式进一步说明。
30.本发明提供的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，包括有硅基光电子芯片1，硅基光电子芯片1侧部连接有输入输出结构2，输入输出结构2包括阵列光纤fa端口10、第一光纤连接头13和第二光纤连接头14，阵列光纤fa端口10包括有作为输入端的第一高数值孔径光纤11和作为输出端的第二高数值孔径光纤12，第一高数值孔径光纤11一端与第一端面耦合结构3连接，另一端通过单模光纤连接有第一光纤连接头13，第一高数值孔径光纤11作为输入光纤和第一端面耦合结构3进行对光耦合，实现模斑匹配，将任意偏振态光场光输入到第一端面耦合结构3中；第二高数值孔径光纤12一端与第二端面耦合结构9连接，另一端通过单模光纤连接有第二光纤连接头14；第二高数值孔径光纤12作为输出光纤和第二端面耦合结构9进行对光耦合，实现模斑匹配，将锁定后的任意偏振态光场从第二端面耦合结构9中输出到第二高数值孔径光纤12中，两个光纤连接头均使用通用fc/apc接头，且第一端面耦合结构3和第二端面耦合结构9均构造为梯形体端面耦合结构，增大了硅基波导中的很小的模斑半径，由此解决模式匹配和折射率匹配问题，进而降低耦合损耗。
31.如图1所示，硅基光电子芯片1采用csip180al有源流技术制作，基于soi衬底，2μm埋氧化物(box)和220nm顶部硅制成。经测试，本基于硅基光电子芯片1的动态偏振控制器的整体损耗为5.35db，端面耦合损耗为2db，远远低于市场其它型号动态偏振控制器的损耗。
32.如图2所示，第一端面耦合结构3和第二端面耦合结构9是由一个长度为400μm，一端宽度为0.14μm，另一端宽度为0.45μm，厚度为0.22μm的硅波导构成的，其中宽度为0.14μm一端位于硅基光电子芯片1边缘，第一端面耦合结构3和第二端面耦合结构9二者的间距为127μm，第一高数值孔径光纤11和第二高数值孔径光纤12二者的间距也为127μm，第一高数值孔径光纤11与第一端面耦合结构3对光耦合，第二高数值孔径光纤12与第二端面耦合结构9对光耦合后，通过紫外胶光固化的方式将二者封装到一起；与第一端面耦合结构3和第二端面耦合结构9的0.45μm一端连接的分别为第一偏振旋转分束器4和第二偏振旋转分束器8。
33.第一端面耦合结构3与第二端面耦合结构9之间依次连接有第一偏振旋转分束器4、第一偏振控制结构5、第二偏振控制结构6、第三偏振控制结构7、和第二偏振旋转分束器8。
34.其中，第一偏振控制结构5包括有第一电控相移器15和第二电控相移器16，第一电控相移器15和第二电控相移器16可实现0
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偏振控制功能，第一电控相移器15由第一焊盘24和第二焊盘25供电，第二电控相移器16由第三焊盘23和第二焊盘25供电，焊盘25为公共端；第二偏振控制结构6包括有第一50/50耦合器17、第三电控相移器18、第四电控相移器19和第二50/50耦合器20，第一电控相移器15、第一50/50耦合器17、第三电控相移器18、第四电
控相移器19、第二50/50耦合器20和第六电控相移器22可实现45
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偏振控制功能，第三电控相移器18由第四焊盘27和第五焊盘28供电；第四电控相移器19由第六焊盘26和第五焊盘28供电，第五焊盘28为公共端；第三偏振控制结构7包括有第五电控相移器21和第六电控相移器22，第五电控相移器21和第六电控相移器22可实现0
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偏振控制功能，第五电控相移器21由第七焊盘30和第八焊盘31供电；第六电控相移器22由第九焊盘29和第八焊盘31供电，第八焊盘31为公共端。
35.在琼斯演算中，可将受应力的纤维表示成两种变换矩阵m0和m45，如式(1)所示：
[0036][0037]
α和β为应力光纤双折射导致的延迟相位；i代表虚部；e代表指数形式；
[0038]
那么3个偏振锁定结构用琼斯矩阵积描述为：
[0039][0040]
α、β和γ为应力光纤双折射导致的延迟相位；i代表虚部；e代表指数形式；
[0041]
矩阵m45可以转化成一个50/50耦合器的矩阵和一个m0类型的矩阵和另一个50/50耦合器的矩阵的乘积，如式(3)式所示
[0042][0043]
式中β代表相位延迟量；i代表虚部；e代表指数形式；
[0044]
因此，将这0
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三个变换矩阵转化为硅基光电子芯片上的等效波导结构，如图1所示，采用平行波导电控相移器，形成双通道极化控制器。其中第一电控相移器15和第二电控相移器16用来产生α相位延迟量；第三电控相移器18和第四电控相移器19用来产生β相位延迟量；第五电控相移器21和第六电控相移器22用来产生γ相位延迟量。这样可以增加控制方式的灵活性，实现相位的精准控制，使相位达到饱和时复位更加简单。
[0045]
第一偏振旋转分束器4由第一偏振旋转部分34和第一偏振分束部分35构成；第一偏振旋转部分34由第一部分刻蚀波导49和第一过渡波导50前半部分构成；第一偏振分束部分35由第一过渡波导50后半部分和第一绝热波导51构成；在第一偏振旋转分束器4中，光的传播方向为从左到右，光先经过第一偏振旋转结构34，然后再经过第一偏振分束部分35。
[0046]
第二偏振旋转分束器8由第二偏振分束部分36和第二偏振旋转部分37构成；第二偏振分束部分36由第二过渡波导53后半部分和第二绝热波导54构成；第二偏振旋转部分37由第二部分刻蚀波导52和第二过渡波导53前半部分构成；在第二偏振旋转分束器8中，光的传播方向为从右到左，光先经过第二偏振分束部分36，然后再经过第二偏振旋转部分37。
[0047]
如图3和图4所示，当光从第一端面耦合结构3进入硅基光电子芯片1内后，进入第
一偏振旋转分束器4中的任意偏振态光场分为tm模式的基模光场tm0和te模式的基模光场te0，其中tm0模式光场经第一偏振旋转部分34转化为te模式的高阶模光场te1，te0模式光场不发生转化；然后te1模式光场和te0模式光场进入到第一偏振分束部分35中，te0模式光场沿第一过渡波导50输出且模式不发生转化，从第一偏振旋转分束器4的第一过渡波导50端口输出，te1模式光场从第一过渡波导50耦合至第一绝热波导51中，从第一偏振旋转分束器4的第一绝热波导51端口输出，且模式转化为te0，从第一偏振旋转分束器4中输出两束偏振都为te0模式的光；经过三个偏振锁定结构后，从第三偏振控制结构7中输出的两束te0模式的光场进入到第二偏振旋转分束器8中，从第六电控相移器22中出来的光进入到第二过渡波导53中，从第五电控相移器21中出来的光进入到第二绝热波导54中，第二过渡波导53中te0模式的光仍以te0模式沿着第二过渡波导53传输且模式不发生改变，第二绝热波导54中te0模式的光在第二偏振分束部分36从第二绝热波导54中耦合到第二过渡波导53中且模式转化为te1模式，两束光合为一束，然后进入到第二偏振旋转部分37，第二偏振旋转部分37将te1模式转化为tm0模式，te0模式不发生转化，以tm0模式和te0模式两种模式从第二偏振旋转分束器8中输出到第二端面耦合结构9中。
[0048]
第一端面耦合结构3和第一偏振旋转分束器4二者结合，该二者结合可以代替二维光栅输入结构，将光耦合到硅基光电子芯片1内，且进行偏振态的旋转，使任意偏振态光场以te0模式进入偏振锁定结构中。第二偏振旋转分束器8和第二端面耦合结构9二者结合，该二者结合可以代替二维光栅输出结构，将锁定后的两束te0模式的锁定后的任意偏振态光场合并成为一束且将其中部分光场转化为tm0模式，以tm0模和te0模两种模式从硅基光电子芯片1输出。
[0049]
为了使第一偏振旋转分束器4和第一50/50耦合器之间的波导长度相同，第一偏振控制结构5和第二偏振控制结构6之间连接有第一补偿波导32；为了使第二50/50耦合器20和第二偏振旋转分束器8之间的波导长度相同，第二偏振控制结构6和第二偏振旋转分束器8之间连接有第二补偿波导33。
[0050]
从第一偏振旋转分束器4中输出的两束te0模式的光场依次进入到第一偏振控制结构5、第二偏振控制结构6和第三偏振控制结构7中；第一偏振控制结构5、第二偏振控制结构6、第三偏振控制结构7均使用电控相移器来产生相位延迟量，电控相移器的相位与所加电压具有确定函数关系，可以通过控制电压对相位延迟量进行确定性的控制。在偏振控制过程中，电控相移器电压达到饱和后，可通过加减v
2π
电压将电控相移器复位。每个控制结构中均采用平行波导电控移相器进行相位控制，具有两个控制端口，这样整个硅基光电子芯片1共有三对共六个控制端口。偏振控制过程中，只需使用每对电控相移器中的一个，当其达到饱和后，可以使用该控制结构中的另一个，同时对当前饱和电控相移器进行复位。
[0051]
如图5所示，本实施例使用的单模光纤、高数值孔径光纤以及硅基光电子芯片1适用于0波段以及通信c波段。利用1550nm光纤尾纤dfb激光器38产生连续光束，利用可变光衰减器39调节光束强度，以随时调节实验需要的光束强度。光束通过50/50分束器40分离，其中一束连接第一功率计41，用于检测输入光的光功率，另外一束连接手动偏振控制器42，用于调节输入光的偏振状态。然后将从手动偏振控制器42出来的单模光纤通过第一光纤连接头13经单模光纤转换成第一高数值孔径光纤11，然后第一高数值孔径光纤11与硅基光电子芯片1边缘的第一端面耦合结构3耦合，将光耦合进硅基光电子芯片1内。然后经过硅基光电
子芯片1上的动态偏振控制系统从第二端面耦合结构9输出，通过第二端面耦合结构9输出到第二高数值孔径光纤12中，然后经单模光纤输出到第二光纤连接头14中。从而使经过硅基光电子芯片1的光输出到偏振分束器43中，将光分成两路，其中一路连接第二功率计44，另一路连接光电探测器45。
[0052]
在实验中，通过使用25μm金线将外部pcb电路板与芯片上的焊盘进行键合，以此方式为动态偏振控制器上的电控相移器施加驱动电压来改变电控相移器中的相位延迟量使偏振控制器正常工作，其中电控相移器长度为400μm，电控相移器的电阻为2kω。通过改变电控相移器两端的电压，以此来改变输出功率。其中电压转化为施加在电控相移器上的功率的表达式为：
[0053][0054]
其中r表示电控相移器的电阻；p表示电控相移器的输出功率；v代表加到电控相移器上的电压。
[0055]
而电控相移器的热功率和相移之间存在很好的线性关系，能够实现相位的精确控制，可加快动态偏振控制的锁定速度。通过测试，当电控相移器的功率从0mw加到50mw，产生的总的相移为3π，经过换算对应的电压应从0v加到10v，如图6所示，相位变化与功率比呈线性关系，因此不需要使用大于10v的高电压来进行操作。
[0056]
进行动态偏振控制时，常采用模拟退火，梯度算法等动态偏振控制算法对光的偏振进行自动锁定。与光电探测器45连接的一路光用来进行偏振锁定以及计算消光比，该端光功率变化为最大到最小，使得该路光由通光状态变成消光状态，那么该端光功率为最小。可以通过电脑控制端47接收到usb6259采集卡接收端46采集到光电探测器45采集到的电压，然后采用模拟退火算法控制usb6259采集卡输出端48的输出端电压来对硅基光电子芯片1上的电控相移器进行控制，使该路光锁定到最小值，达到消光状态。然后通过数据处理求出该路光的消光比。与第二功率计44连接的一路光用来计算消光比，锁定前调节手动偏振控制器42来使该路功率最小，使该路达到消光状态，然后进行偏振锁定，锁定后该端的功率为最大，从第二功率计44上读出最大值和最小值，就可以求出该端的消光比。
[0057]
实验结果：本实验中，采用1mw的1550nm的通信波段的激光通过透镜光纤耦合进入到本动态偏振控制器中，路径1连接接光电探测器35，路径2接第二功率计44，调节手动偏振控制器42，使路径1最大通光约300μw(功率由大至小)，偏振锁定后的结果如图7所示，锁定结果显示，当使用固定步长为0.01v时，本发明的动态偏振控制器可以将该路光的消光比锁定到25db以上，锁定结果最开始的12db左右的消光比是由于光电探测器45饱和的原因。
[0058]
综上可得，通过端面耦合结构3将光耦合进硅基光电子芯片1中使得光从外界高数值孔径光纤进入芯片时损耗降到了2db，而且在使用了偏振旋转分束器后，经过本动态偏振控制器的锁定后，动态消光比能达到25db以上。
[0059]
综上理论分析和实验验证，足以证明本发明相比较现有的基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器上，具有耦合损耗更小，偏振消光比更大的效果。同时在加上第一偏振旋转分束器4之后，可以更好的保证进入本动态偏振控制器的光的模式都为te0模式，而且端面耦合结构输入输出端在同侧的设计，在后期封装等方面都比光栅耦合结构更便利。
[0060]
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点，对于本领域技术人员而言，显然本
发明的具体实施方式并不仅限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明的创造思想和设计思路，应当等同属于本发明技术方案中所公开的保护范围。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
[0061]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：包括有硅基光电子芯片(1)，所述硅基光电子芯片(1)侧部连接有输入输出结构(2)，所述硅基光电子芯片(1)上分别设置有与输入输出结构(2)的输入端连接的第一端面耦合结构(3)和与输入输出结构(2)的输出端连接的第二端面耦合结构(9)，所述第一端面耦合结构(3)与第二端面耦合结构(9)之间依次连接有第一偏振旋转分束器(4)、第一偏振控制结构(5)、第二偏振控制结构(6)、第三偏振控制结构(7)、和第二偏振旋转分束器(8)。2.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述输入输出结构(2)包括阵列光纤fa端口(10)、第一光纤连接头(13)和第二光纤连接头(14)，所述阵列光纤fa端口(10)包括有作为输入端的第一高数值孔径光纤(11)和作为输出端的第二高数值孔径光纤(12)，所述第一高数值孔径光纤(11)一端与第一端面耦合结构(3)连接，另一端通过单模光纤连接有第一光纤连接头(13)，所述第二高数值孔径光纤(12)一端与第二端面耦合结构(9)连接，另一端通过单模光纤连接有第二光纤连接头(14)。3.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述第一端面耦合结构(3)和第二端面耦合结构(9)均构造为梯形体端面耦合结构。4.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述第一偏振控制结构(5)包括有第一电控相移器(15)和第二电控相移器(16)，所述第一电控相移器(15)和第二电控相移器(16)可实现0
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偏振控制功能；所述第二偏振控制结构(6)包括有第一50/50耦合器(17)、第三电控相移器(18)、第四电控相移器(19)和第二50/50耦合器(20)，所述第一电控相移器(15)、第一50/50耦合器(17)、第三电控相移器(18)、第四电控相移器(19)、第二50/50耦合器(20)和第六电控相移器(22)可实现45
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偏振控制功能；所述第三偏振控制结构(7)包括有第五电控相移器(21)和第六电控相移器(22)，第五电控相移器(21)和第六电控相移器(22)可实现0
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偏振控制功能。5.根据权利要求书4所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述第一电控相移器(15)由第一焊盘(24)和第二焊盘(25)供电；第二电控相移器(16)由第三焊盘(23)和第二焊盘(25)供电，第二焊盘(25)为公共端；所述第三电控相移器(18)由第四焊盘(27)和第五焊盘(28)供电；第四电控相移器(19)由第六焊盘(26)和第五焊盘(28)供电，第五焊盘(28)为公共端；所述第五电控相移器(21)由第七焊盘(30)和第八焊盘(31)供电；第六电控相移器(22)由第九焊盘(29)和第八焊盘(31)供电，第八焊盘(31)为公共端。6.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：第一偏振旋转分束器(4)由第一偏振旋转部分(34)和第一偏振分束部分(35)构成；所述第一偏振旋转部分(34)由第一部分刻蚀波导(49)和第一过渡波导(50)前半部分构成；第一偏振分束部分(35)由第一过渡波导(50)后半部分和第一绝热波导(51)构成；第二偏振旋转分束器(8)由第二偏振分束部分(36)和第二偏振旋转部分(37)构成；第二偏振分束部分(36)由第二过渡波导(53)后半部分和第二绝热波导(54)构成；第二偏振旋转部分(37)由第二部分刻蚀波导(52)和第二过渡波导(53)前半部分构成。7.根据权利要求书1所述的一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，其特征在于：所述第一偏振控制结构(5)和第二偏振控制结构(6)之间连接有第一补偿波导(32)；第二偏振控制结构(6)和第二偏振旋转分束器(8)之间连接有第二补偿波导(33)。
8.一种应用如权利要求1所述的基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：外界单模光纤中的任意偏振态光场经输入输出结构(2)中的第一光纤连接头(13)输入至第一高数值孔径光纤(11)中进行模斑转换，模斑匹配后传输至第一端面耦合结构(3)后，模斑进一步转化后传输至第一偏振旋转分束器(4)中，进入第一偏振旋转分束器(4)中的任意偏振态光场分为tm模式的基模光场tm0和te模式的基模光场te0，其中tm0模式光场经第一偏振旋转部分(34)转化为te模式的高阶模光场te1，te0模式光场不发生转化；然后te1模式光场和te0模式光场进入到第一偏振分束部分(35)中，te0模式光场沿第一过渡波导(50)传输且模式不发生转化，从第一偏振旋转分束器(4)的第一过渡波导(50)端口输出，te1模式光场从第一过渡波导(50)耦合至第一绝热波导(51)中，从第一偏振旋转分束器(4)的第一绝热波导(51)端口输出，且模式转化为te0，从第一偏振旋转分束器(4)中输出两束光的模式均为te0；步骤二：从第一偏振旋转分束器(4)中输出的两束te0模式的光场依次进入到第一偏振控制结构(5)、第二偏振控制结构(6)和第三偏振控制结构(7)中；第一偏振控制结构(5)、第二偏振控制结构(6)、第三偏振控制结构(7)均使用电控相移器来产生相位延迟量；步骤三：经过三个偏振锁定结构后，从第三偏振控制结构(7)中输出的两束te0模式的光场进入到第二偏振旋转分束器(8)中，从第六电控相移器(22)中出来的光进入到第二过渡波导(53)中，从第五电控相移器(21)中出来的光进入到第二绝热波导(54)中，第二过渡波导(53)中te0模式的光仍以te0模式沿着第二过渡波导(53)传输且模式不发生改变，第二绝热波导(54)中te0模式的光在第二偏振分束部分(36)从第二绝热波导(54)中耦合到第二过渡波导(53)中且模式转化为te1模式，两束光合为一束，然后进入到第二偏振旋转部分(37)，第二偏振旋转部分(37)将te1模式转化为tm0模式，te0模式不发生转化，之后tm0和te0两种模式的光输入到第二端面耦合结构(9)中，经过模斑转换并匹配后再输出至输入输出结构(2)中的第二高数值孔径光纤(12)中，模斑再次转换后经第二光纤接头(14)输出。

技术总结
本发明公开了一种基于硅基光电子芯片的动态偏振控制器，能够将任意偏振态光场锁定至任意所需偏振态光场。本控制器通过第一端面耦合结构将任意偏振态光场的光从单模光纤中经第一高数值孔径光纤耦合进芯片内；经第一偏振旋转分束器(PRS)后，进入芯片的TE0模和TM0模光场均转换为TE0模光场；采用波导0


技术研发人员：赵倩如 王旭阳 李永民 贾雁翔 侯一卓 朱鑫怡 渠泽淇 杜月
受保护的技术使用者：合肥国家实验室
技术研发日：2023.06.01
技术公布日：2023/8/13