一种基于组合波导的超紧凑型三耦合器、制备方法及应用

本发明属于激光加工，具体涉及利用飞秒激光直写技术在玻璃材料中制备不同中心间距的组合波导，使波导间存在传播常数差异，从而在短距离下抑制波导之间的耦合效应，并且通过设计三耦合器的三维空间结构，最终实现超紧凑的三维三耦合器的制备。

背景技术：

0、技术背景

1、随着集成光学的不断发展，集成光子芯片日益受到世界各国研究人员的追捧。相比于离子注入、薄膜沉积、平面光刻等传统制备波导的工艺，飞秒激光直写具有不需要掩膜，加工精度高，可以进行“真三维”加工的特点，是制备三维耦合器件的唯一可靠手段。在众多三维波导器件中，三耦合器(tritter)作为片上能量传输、信号交换和功率分配的一个重要的元器件，已经应用于量子光学领域实现多光子干涉实验。然而，由于飞秒激光直写波导的有效折射率改变量较小(10-4-10-3)，导致三耦合器以较大的转弯半径(～40mm)来规避弯曲损耗，从而使得器件尺寸较大器件尺寸较大。因此，通过设计和优化其结构来改善其性能，例如提高分光比、降低插入损耗等，对于提升三耦合器的性能，乃至飞秒激光直写光子回路的实用化至关重要。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种基于组合波导(cwg)控制耦合并实现三耦合器(tritter)的方法。通过加工不同中心间距a的组合波导，以此来获得不同的传播常数β，从而实现短距离耦合的超紧凑型三耦合器，解决器件尺寸较大的问题。其主要原理是，通过改变波导截面，在波导间引入传播常数差异，从而抑制波导之间的耦合效应。进一步地将具有不同截面形状的波导替换s弯波导作为输入/输出端，从而将整个三耦合器呈现为直线型，极大减小了三耦合器的横截面尺寸。此外，在器件的耦合区内引入四根圆形截面波导，其中以中心波导作为媒介，使光由入射波导耦合至其余波导。基于这种设计，避免了器件内s弯波导的引入，同时能够实现紧凑的可控消逝场耦合，从而在空间上实现超紧凑的三耦合器，有效解决传统三耦合器横截面尺寸较大的问题，有利于提高其在集成光子芯片上的集成度。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种基于组合波导的超紧凑型三耦合器，包括中心媒介波导1、第一组合波导2、第二组合波导3及第三组合波导4，所述第一组合波导2及第二组波导3均为两根圆形截面波导以一定的中心间距a拼接而成，并且通过锥区波导与耦合区波导相连；中心间距a定义为两根圆形截面波导圆心之间的距离；当组合波导以单模传输时，对应的两根圆形截面波导的最大中心间距定义为单模传输的中心间距上限b；其中，所述中心媒介波导1为仅存在于耦合区的圆形截面波导；所述第一组合波导2由第一端口区波导5、第一锥区波导6和第一耦合区波导7依次连接组成；所述第二组合波导3由第二端口区波导8、第二锥区波导9和第二耦合区波导10依次连接组成；所述第三组合波导4为圆形截面波导，视为两根圆形截面波导以中心间距0拼接而成。

4、进一步地，所述第一端口区波导5由两根圆形截面波导以中心间距b拼接而成；所述第一耦合区波导7通过第一锥区波导6与所述第一端口区波导5相连；所述第二端口区波导8由两根圆形截面波导以中心间距b/2拼接而成；所述第二耦合区波导10通过第二锥区波导9与所述第二端口区波导8相连；由于三耦合器的端口区波导(4、5、8)的波导截面不同，导致彼此之间存在传播常数差异，耦合将会被抑制；此外，通过调控直写速度使三耦合器耦合区的中心媒介波导1、耦合区波导(4、7、10)之间的传播常数相同，从而可以在耦合区进行有效的耦合传输。

5、另一方面，本发明还提供了一种基于组合波导的超紧凑型三耦合器的制备方法，具体步骤如下：

6、(1)、样品台的调平；

7、具体步骤为：首先，利用丙酮和乙醇清洁待加工样品的表面，擦去油脂及灰尘；其次，激光器出射的飞秒激光先后经过二分之一波片(hwp)和偏振分束器(pbs)后经由第一反射镜m1反射，随后入射光束经过柱面凹透镜cl1和柱面凸透镜cl2整形成椭圆形高斯光束，整形后的光束再经由宽度可调节的狭缝slit裁剪成细长条形的光斑，经过第二反射镜m2进入物镜ol聚焦后入射到样品台上的待加工样品的表面；在第二反射镜m2的镜架上固定一个照明光源led，当照明光发出的白光入射到物镜ol中，并且在玻璃样品表面聚焦，从而将会使样品被照亮；照明光透过第二反射镜m2，并且经过第三反射镜m3反射后聚焦成像到相机ccd中；相机ccd连接到电脑pc上，从而可以在电脑端上实时监控样品台的调平过程；

8、(2)、确定不同深度的直写速度及耦合系数-耦合间距曲线；

9、具体步骤为：首先，样品台调平完后，转动激光器前的二分之一波片(hwp)的光轴，调节物镜入瞳前激光功率；接着，在三维位移平台控制软件中加载matlab加工程序，根据设计的三耦合器结构，按照中心媒介波导1和第三组合波导4，以及中心媒介波导1和第一耦合区波导7的空间位置，在样品内直写出两部分具有不同耦合长度l的一系列跨层深定向耦合器(即定向耦合器的两臂之间根据不同的耦合间距d而处于不同的深度)，其中，第一部分定向耦合器的两臂的空间位置对应中心媒介波导1和第三组合波导4的空间位置，第二部分定向耦合器的两臂的空间位置对应中心媒介波导1和第一耦合区波导7的空间位置；通过调控不同深度下两臂各自的直写速度，使扫描功率一定时层间波导性质相同，即使跨层深定向耦合器的透射比transmission能够振荡到1，从而获得使跨层深定向耦合器不同深度下的两臂波导性质相同的直写速度；并且通过测量跨层深定向耦合器的透射比，得到透射比-耦合长度l曲线；最后，根据耦合模公式:

10、

11、其中，κ为耦合系数，δ为传播常数，l为耦合长度，为初始相位，可以拟合出不同耦合间距d对应下的耦合系数κ，进而得到耦合系数κ-耦合间距d曲线，用于在后续三耦合器的制备中确定耦合区内中心媒介波导1、第三组合波导4、第一耦合区波导7及第二耦合区波导10之间的耦合间距；

12、(3)、确定三耦合器所需的耦合间距；

13、具体步骤为：首先，将三耦合器的三个端口区波导每两个(4-5、4-8、5-8)之间的距离定义为三耦合器输入/输出端口区波导间的耦合间距d；将三耦合器的中心媒介波导1与第三组合波导4、中心媒介波导1与第二耦合区波导10之间的距离定义为耦合间距d1；将三耦合器的中心媒介波导1与第一耦合区波导7之间的距离定义为耦合间距d2；接着，设计实验确定端口区波导之间不发生耦合的最小间距，并以该间距作为端口区波导之间的耦合间距d；加载预先编写的组合波导加工程序，利用步骤(2)的直写速度，分别加工端口区波导(4-5、5-8、4-8)三组跨层深的组合波导组合；然后，对直写的三组波导组内的耦合情况进行测试，从而确定出端口区波导之间不发生耦合的最小耦合间距d，即三耦合器输入/输出端口区波导间的耦合间距；最后，根据设计的三耦合器的几何结构，利用公式：

14、

15、计算出三耦合器的中心媒介波导1与第三组合波导4、中心媒介波导1与第二耦合区波导10之间的耦合间距d1；之后再通过步骤(2)获得的耦合系数κ-耦合间距d曲线，让两条曲线的耦合系数κ值相等，从而最终确定出三耦合器的中心媒介波导1与第一耦合区波导7之间的耦合间距d2。

16、(4)、三耦合器的制备；

17、具体步骤为：首先，以中心媒介波导1的加工位置为坐标原点(0，0)，则第二组合波导3的坐标(-d1*cos60°，-d1*sin60°)，第三组合波导4的坐标(d1*cos60°，-d1*sin60°)，第一组合波导2的坐标(0，d2)；接着，转动激光器前的二分之一波片(hwp)的光轴，调节物镜入瞳前激光功率，根据步骤(3)中确定的制备三耦合器所需的各项耦合间距d、d1、d2，利用步骤(2)中得到的直写速度来直写出不同层深下的波导：中心媒介波导1、第一组合波导2、第二组合波导3及第三组合波导4，从而制备出三耦合器。

18、进一步地，步骤(1)所述飞秒激光波长为1030nm，脉冲宽度为200-400fs，重频为0.5mhz-2mhz；所述二分之一波片hwp被安装在电控旋钮步进电机上，由电脑实现旋转角度的精密控制，从而使得hwp和偏振分束器pbs的组合能够实现激光功率控制。

19、进一步地，步骤(2)所述加工深度调控范围为190-220μm(记样品上表面深度为0μm)，所述耦合长度l的调控范围为0-5mm。

20、进一步地，步骤(2)所述的跨层深定向耦合器分为两部分，第一部分中，固深臂和变深臂的耦合区波导连线与深度方向呈60°夹角；第二部分中，固深臂和变深臂的耦合区波导连线与深度方向呈0°夹角；两部分固深臂的深度一样；加工结束后，对样品的波导端面进行抛光及透射比测试，得到耦合长度和透射比的关系曲线以及耦合间距和耦合系数的关系曲线。

21、进一步地，步骤(3)中，三组组合波导耦合中，第三组合波导4与第一端口区波导5在深度方向呈30°夹角；第二端口区波导8与第一端口区波导5在深度方向呈-30°夹角；第三组合波导4和第二端口区波导8中心处于同一深度；其中，第一端口区波导5为两个圆形波导呈90°拼接而成，第二端口区波导8为两个圆形波导呈30°拼接而成；加工结束后，对样品的波导端面进行抛光及模场测试，从而确定出端口区波导之间不发生耦合的最小耦合间距d。

22、进一步地，步骤(4)所述的三耦合器中，第一组合波导2与中心媒介波导1在深度方向呈0°夹角；第二组合波导3的加工位置与中心媒介波导1在深度方向呈-60°夹角；第三组合波导4的加工位置与中心媒介波导1在深度方向呈60°夹角；第一组合波导2、第二组合波导3及第三组合波导4的直写速度分别与步骤(3)中第一端口区波导5、第二端口区波导8、第三组合波导4的直写速度相同；耦合区中心媒介波导1的深度和直写速度与步骤(2)跨层深定向耦合器的固深臂的深度和直写速度一致；耦合长度为0.15-5.55mm；加工结束后，对样品的波导端面进行抛光及模场测试，从而得到三耦合器的分光情况。

23、第三方面，本发明还提供了一种基于组合波导的超紧凑型三耦合器在在量子干涉测量和量子计量学中的应用。

24、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、(1)、本发明通过将波导截面作为调控传播常数的自由度，构建了不同中心间距的组合波导，调控了波导间的传播常数，实现了近距离下波导耦合的控制；

26、(2)、与传统的三耦合器相比，通过采用组合波导以及在三耦合器中心的耦合区位置插入一根中心媒介波导来构成超紧凑型三耦合器的结构，可以有效地减小其横截面积，提高其在集成光子芯片上的集成度。