封面 | 超紧凑片上偏振控制器

偏振态（SOP）是光子的基本属性，包括线偏振、椭圆偏振、圆偏振等。由于偏振光独特的电磁波分布及传输特性，在通信、光学相干层析成像、医学诊断、远距离探测、材料分析等领域具有重要应用。通常情况下，偏振光可描述为：

其中 E _x 和 E _y 分别是平面光波的水平分量和竖直分量， a _x 和 a _y 是它们对应的幅度， δ _x 和 δ _y 是对应的初始相位， ω 是光束的角频率， t 是时间变量。光偏振态通常用偏振隔离度PER=10log ₁₀ (a _y ² /a _x ² )和偏振分量相位差δ ₀ = δ _y - δ _x 来表征。因而，通过控制PER和δ ₀ 则可实现偏振态调控。

此前实现片上偏振控制的主要思路是：入射光经过偏振旋转分束器，使其 E _x 和 E _y 分量分别转换为两个分离的TE ₀ 模；再采用两个马赫-泽德干涉仪（MZI）调控这两个TE ₀ 模式的幅度比以及相位差；最后，再通过一个偏振旋转分束器进行合束输出。但由于工艺误差，偏振旋转分束器和MZI往往性能受限，目前报道的片上偏振控制器PER范围为20-40 dB，不足以覆盖庞加莱球表面。为了获得更大的偏振隔离度范围，可需要级联多个MZI结构，但进一步增加了系统复杂度。

为此， 浙江大学戴道锌教授 团队基于其扎实的片上偏振调控器件研究基础，提出并研制了 一种 新颖片 上偏振控制器 ， 巧妙地利用 特定尺寸脊 型 硅光波导的偏振模杂化效应，并引入双模MZI结构及移 相器 ，进而实现两个任意偏振态之间的高效转换 。 该结构具有完美对称性，在90 nm 波长范围 内均可获得>54 dB 的 超大偏 振隔离度范 围（目 前报道的最优结果 ）。 相关成果发表于 Photonics Research 2024年第2期，被遴选为封面文章。

图1（a）为所提出的新型硅基片上偏振控制器结构，包括一个特殊偏旋转器、两个热光相移器（PS# 1、PS# 3）以及两个端面耦合器。其中，偏振旋转器由1×1 MZI、偏振相关模式转换器（PDMC # 1、PDMC # 2）构成，其光波导截面如图1(b)-(c)所示。对于入射光，其 x -分量和 y -分量分别转换为硅光波导的TE ₀ 和TM ₀ 模式。当光进入到偏振相关模式转换器时，其TM ₀ 模由于偏振模杂化高效转换为TE ₁ 模，而TE ₀ 模则无损通过。进一步通过带相位调控的1×1 MZI，则可实现两个偏振态之间的转换。

图1 提出的硅基片上偏振控制器：(a)俯视图；(b) 相移区波导截面；(c) MZI臂波导截面

具体来讲，其基本调控过程为：对于入射的任意偏振态光束，通过调节相移器PS #1（φ ₁ ），可在MZI双臂获得等比分光；再通过控制MZI两臂相移差φ ₂ 即可获得任意TE ₀ /TM ₀ 模式比列（即 任意PER） ；最后，控制第二个相移器PS #1（φ ₃ ），则可控制输出TE ₀ /TM ₀ 模之间 相位差δ ^’ ，从而生成任意的偏振态。值得注意的是，在此MZI两臂 50%：50%的分光比 是获得高偏振隔离度的关键。图2展示了不同入射偏振光在PS #1、PDMC #1和DMPS #1区域传输的仿真结果。由此可见，对于TE ₀ 或TM ₀ ，MZI两臂总可以获得50%：50%的分光比，如图2(a-b)所示；而对于其它偏振光，则通过调节φ ₁ ，也可获得50%：50%的分光比，如图2(c-e)所示。

图2 不同偏振光在PS #1、PDMC1和DMPS #1区域的传输情况：(a) TE ₀ 模式，(b) TM ₀ 模式，(c) 45°线偏振光(δ=2mπ)，(d) 45°线偏振光(δ=2mπ+π)，(e) 45°线偏振光(δ=2mπ±0.5π) (@1550 nm)

图3给出了入射到MZI两臂的TE ₀ 模具有不同相位差δ情况下的光场传输结果。可以发现，当φ ₂ =0，其输出为纯TE ₀ 模，见图3(a)；当φ ₂ =π，其输出为纯TM ₀ 模，见图3(b)；而当φ ₂