据中国激光杂志社网，于2024年04月16日报道，偏振态（SOP）作为光子的基本属性，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广泛应用。偏振控制器是偏振应用系统的核心器件，可通过旋转波片及双折射效应等传统方式实现，但传统分立器件存在体积大、速度慢、可重构性差等问题。该封面文章提出了一种超紧凑、大容差、易调控的新颖硅基片上偏振控制器，其基本原理是：利用脊型硅光波导模式杂化效应，实现光波的水平偏振分量与竖直偏振分量的相互转化。进一步利用MZI结构及移相器，可调控两个偏振分量的能量比及相位差，从而实现任意偏振态之间的转换。由于其结构的完美对称性，该研究工作获得了目前报道的最高偏振隔离度变化范围，在相关领域具有广泛应用前景。
——孙皓副研究员，清华大学
Photonics Research 青编委
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Ex和Ey分别是平面光波的水平分量和竖直分量，ax和ay是它们对应的幅度，δx和δy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=10log10(ay2/ax2)和偏振分量相位差δ0=δy-δx来表征。因而，通过控制PER和δ0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Ex和Ey分量分别转换为两个分离的TE0模；再采用两个马赫-泽德干涉仪（MZI）调控这两个TE0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TE0和TM0模式。当光进入到偏振相关模式转换器时，其TM0模由于偏振模杂化高效转换为TE1模，而TE0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。
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（φ1），可在MZI双臂获得等比分光；再通过控制MZI两臂相移差φ2即可获得任意TE0/TM0模式比列（即任意PER）；最后，控制第二个相移器PS #1（φ3），则可控制输出TE0/TM0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TE0或TM0，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φ1，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) TE0模式，(b) TM0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TE0模具有不同相位差δ情况下的光场传输结果。可以发现，当φ2=0，其输出为纯TE0模，见图3(a)；当φ2=π，其输出为纯TM0模，见图3(b)；而当φ2为其它值，则可实现TE0和TM0模任意比值的调控，见图3(c)。进一步通过调控相移器PS #2（φ3），则可获得任意的偏振态输出。
图3 入射到MZI两臂的TE0模具有不同相位差δ情况下的光场传输结果：(a) φ2=0；(b) φ2=π；(b) φ2=0.5 π
所研制的硅基片上偏振控制器总尺寸仅为150 μm×700 μm。图4(a-c)分别给出了不同偏振光入射时输出端测量得到的偏振态信息。对于水平/竖直线偏振入射光（即TE0/TM0模），通过控制MZI相移器（φ2）及PS #2（φ3），其输出光偏振态可覆盖庞加莱球表面，如图4(a-b)所示。对于其它同时包含x-和y-偏振分量的入射光，通过同时控制PS #1（φ1），MZI相移器（φ2）及PS #2（φ3），其输出光偏振态也可覆盖庞加莱球表面。图4(d)给出了不同工作波长的输出光偏振隔离度范围测试结果。由此可见，器件偏振隔离度范围在1530-1620 nm波段均>54 dB。
戴道锌教授表示：“片上集成偏振控制器是一个光学系统中不可或缺的关键部件，但以往大多架构比较复杂，所实现的偏振隔离度范围较小。本文提出的偏上偏振控制方法，无需引入额外偏振旋转分束器等，结构非常紧凑。由于其结构完美对称，可保证了MZI两臂具有理想的3 dB分光，进而获得了超54 dB的偏振隔离度范围，为片上光场调控提供了新途径。”
研究团队简介
赵伟科，浙江大学光电科学与工程学院专职研究副研究员。2019年于电子科技大学获得工学博士学位，从事集成光子学研究，主要包括片上多维光场调控、铌酸锂电光/非线性器件等。以第一/共一作者在Laser & Photonics Reviews、Photonics Research等发表期刊论文9篇。主持国家自然基金青年项目、国家自然基金面上项目各1项。
彭莹莹，浙江大学光电科学与工程学院博士生。2020年于华中科技大学获得工学学士学位，主要从事硅基片上可重构器件及系统研究。
戴道锌，浙江大学求是特聘教授、国家杰出青年科学基金获得者（2017）、美国光学学会会士，现任浙江大学光电科学与工程学院院长、浙江省光学学会理事长、教育部光子学与技术国际合作联合实验室主任。长期致力于高性能与高集成硅光器件及应用研究，开拓了多模硅光子学等重要方向，取得了超低损耗硅光波导/延迟线、超高Q硅光微腔、高性能硅光滤波器、免校准硅光开关、极低串扰阵列波导光栅、超高GBP锗硅APD、高速铌酸锂微腔电光调制器等重要进展。在Science、Nature、Nature Photon.、Nature Comm.、Light、PRL、Optica等国际知名期刊发表论文300余篇，共被引20300余次，入选历年Elsevier《中国高被引学者榜单》，获得中国光学学会光学科技一等奖、王大珩光学奖、浙江省自然科学一等奖等奖励荣誉。2013至2019年担任Photonics Research编委。
