Lithium niobate is known for its birefringence, electro-optic, acoustic-optic and nonlinear optical properties. Bulk lithium niobate is a mature platform for devices and applications ranging from acousto-optic frequency shifters, polarization rotators, frequency converters, and electro-optic modulators. However, the size of such devices and the bulk crystal itself drastically limits the compactness, efficiency and integration of photonic circuits.

The emerging thin film lithium niobate on insulator is a promising platform for a new generation of photonic integrated circuits. Thanks to the small thickness of thin film lithium niobate and high refractive index contrast provided by the insulator, photonic devices on this platform can be made very small with sub-micrometer features. Due to the reduction of photonic circuit size, the mode size also shrinks, resulting in strong and engineerable waveguide induced modal dispersion. Having control over modal dispersion on the one hand will help evading undesirable phase shift and time delay between modes or polarizations, and on the other hand, will enable designing polarization sensitive devices such as polarization rotators and mode converters.The usage of lithium niobate, due to the birefringence of the material itself, offers a new degree of freedom to cancel out the modal dispersion, creating modal birefringence-free working point in a waveguide, even between fundamental TE and TM modes. 

To investigate behaviour of a lithium niobate waveguide at the birefringence-free point of TE00 and TM00 modes, we fabricated straight waveguides in thin film lithium niobate that support only TE00 and TM00 modes with the birefringence-free point spectrally located near 1550 nm. The measurement results show that mode conversion between TE00 and TM00 modes occurs in these waveguides. The conversion efficiency reaches 80%. The wavelength of birefringence-free point and conversion efficiency differs in waveguides with different cross-sectional area.

Litiumniobat är känt för sina dubbelbrytande, elektro-optiska, akustisk-optiska och olinjära optiska egenskaper. Bulk litiumniobat är en mogen plattform för produkter och applikationer som sträcker sig från akusto-optiska frekvensskiftare, polarisationsrotatorer, frekvensomvandlare och elektro-optiska modulatorer. Storleken på sådana anordningar och själva bulkkristallen begränsar dock drastiskt kompaktheten, effektiviteten och integrationen av fotoniska kretsar.

Den framväxande tunnfilmslitiumniobaten på optisk en isolator är en lovande plattform för en ny generation av fotoniska integrerade kretsar. Tack vare den tunna tunnfilmslitiumniobaten och den höga kontrasten i brytningsindex som tillhandahålls av den optiska isolatorn, kan fotoniska enheter på denna plattform göras mycket små med submikrometer funktioner. På grund av minskningen av fotonkretsstorleken krymper även den optiska modstorleken, vilket resulterar i en stark och konstruerbar vågledarinducerad modal dispersion.Att ha kontroll över modal dispersion på ena sidan kommer att hjälpa till att undvika oönskade fasförskjutningar och tidsfördröjningar mellan moder eller polarisationer, och på andra sidan kommer det att möjliggöra design av polarisationskänsliga enheter såsom polarisationsrotatorer och modomvandlare.Användningen av litiumniobat, på grund av materialets dubbelbrytning, erbjuder en ny grad av frihet att eliminera den modala dispersionen, vilket skapar en modal dubbelbrytningsfri spektralpunkt i en vågledare, även mellan grundläggande TE- och TM-lägen.

För att undersöka beteendet hos en litiumniobatvågledare vid den dubbelbrytningsfria punkten för TE00 och TM00-lägena, tillverkade vi raka vågledare i tunnfilmslitiumniobat som endast stöder TE00 och TM00-lägen med den dubbelbrytningsfria punkten spektralt belägen nära 1550 nm.Mätresultaten visar att lägesomvandling mellan TE00- och TM00-lägen sker i dessa vågledare. Konverteringseffektiviteten når 80%. Våglängden för dubbelbrytningsfri punkt och omvandlingseffektivitet skiljer sig åt i vågledare med olika tvärsnittsarea.