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Light|高速度、低电压、小尺寸铌酸锂薄膜偏振操控器件

2022-05-01 10:36

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

撰稿 | 论文作者课题组投稿

自由空间中的光波（以及其他频率的电磁波）是横波，它的电场和磁场的振动方向在与传播方向垂直的横截面内有各种可能取向，这就是光的偏振特性。偏振在相干光通信、工业检测、生物医学、地球遥感、现代军事、航空以及海洋等领域具有重要的应用价值。

在自然界中，为了更好地导航，很多生物进化出了可以分辨光的偏振态的视觉系统。比如蜜蜂有五只眼（三只单眼、两只复眼），每个复眼包含有 6300 个小眼，这些小眼能够帮助蜜蜂获取光在天空中各个方向的偏振态分布图。蜜蜂可以通过偏振态分布图定位并且准确无误地把它的同类引到它所找到的花丛。人类不具备类似蜜蜂的生理器官来感知光的偏振态，需要借助人工设备感知和操控光的偏振态。一个典型的例子是人们利用偏振眼镜，把不同图像的光线以相互垂直的偏振分别导入到左右眼中，这就是电影院中 3D 电影的原理。

研制高性能的光学偏振操控器件是发展偏振光应用技术的关键。典型的偏振操控器件包括偏振态产生器、扰偏器、偏振分析器、偏振控制器等。近年来，光学偏振操控技术正在加速进步，并深度融合到多个具有重大意义的新兴领域。

以光通信为例，在数据中心海量数据传输需求的推动下，长距离相干光通信技术正逐步向对成本和能耗高度敏感的短距离互连应用扩散，而利用偏振操控技术可以有效降低短距离相干光通信系统的成本和功耗。然而，目前偏振操控主要采用分立光学元件实现，严重制约了性能的提升和成本的降低。随着光电子集成技术的蓬勃发展，集成化和芯片化是光学偏振操控器件未来发展的重要趋势。

鉴于此，近日，中山大学 蔡鑫伦 教授课题组联合河北大学、广东工业大学和加拿大大不列颠哥伦比亚大学，在铌酸锂薄膜光子集成平台上，实现了集成的光学偏振操控芯片，包括了偏振发生器、扰偏器、偏振分析器、偏振控制器等主要功能。这些芯片的偏振产生速度、偏振消光比、偏振扰偏速度、测量速度等主要参数创造了新的世界记录，并且在高速度、低成本、无寄生调制损耗、低驱动电压等方面表现出优异的性能。

该成果以"High Performance Polarization Management Devices Based on Thin-Film Lithium Niobate"为题发表在 Light: Science and Applications 期刊上。

目前高性能的偏振操控器件大多基于铌酸锂晶体材料，如美国 EO Space 公司和德国 Novoptel 公司均有相应的商业化产品。然而，传统铌酸锂晶体中制备的光波导存在折射率反差小、光场束缚能力弱的缺点，一方面导致器件尺寸大，难以满足集成化的发展需求；另一方面导致电-光相互作用弱，器件驱动电压居高不下。

近年来，基于铌酸锂薄膜材料的光子器件取得了历史性进步，实现了比传统铌酸锂光子器件更高的速度和更低的驱动电压，因此备受业界青睐。该研究成果首次实现了一系列高性能铌酸锂薄膜光学偏振操控器件，这些器件由两个基本单元构成：1. 偏振旋转/分合波器，2. 马赫-曾德尔干涉仪（名词解释>），如图1所示。

图1（a）偏振旋转/分合波器和马赫-曾德尔干涉仪的结构示意图。
（b）-（d）分别是偏振发生器、偏振分析器和偏振控制器的结构示意图。

偏振旋转/分合波器是自由空间输入光与铌酸锂薄膜芯片中的波导光之间的转换接口，输入光的水平和垂直偏振分量（H和V）经过偏振旋转/分合波器之后，分别转化为两个波导中的水平光场，这一转换过程将输入光的不同偏振转换为芯片上的不同路径。在芯片内部，上述两个波导光的相对振幅和相位由马赫-曾德尔干涉仪和两个移相器进行调控。通过结合偏振旋转/分合波器和马赫-曾德尔干涉仪，就可以对光波的偏振态进行操控。

器件对光的偏振调控主要基于铌酸锂薄膜材料的泡克尔斯效应（名称解释>），通过电压对光相位的调控实现，其响应速度快至千万亿分之一秒级别。这一效应可以实现纯相位调制，而不引入额外损耗，因而在用于偏振控制时可以不改变两个偏振分量的相对振幅，而是实现纯粹的偏振态旋转。

铌酸锂器件的驱动电压可以比传统铌酸锂器件低一个数量级以上，非常有利于实现高速、高保真度、低能耗的偏振调控器件。

本工作研制的系列偏振操控器件包括：

1. 偏振发生器：其功能是快速且稳定地产生任意偏振态，如图1（b）所示。研究团队提出了级联两级马赫-曾德尔干涉仪的方法，实现了偏振消光比高达 41.9 dB 的高保真度偏振态的产生，并进一步，通过在调制电极上加载锯齿波信号，实现了偏振态扰动速度高达 65 Mrad·s-1 的扰偏器。

2. 偏振分析器：其功能是快速且准确地测量任意偏振态，如图1（c）所示。研究团队提出分时投影测量方法与最优测量基矢相结合的方法，实现了高达 250 KS/s 的偏振态测量采样速度和 1.58° 的偏振角测量准确度。

3. 偏振控制器：其功能是可以“无尽（endless）”的方式把偏振态随时间变化的光的全部能量转化为一个确定偏振态的光（即庞加勒球上的一个点），如图1（d）所示. 研究团队提出了级联多级马赫-曾德尔干涉仪的结构，并配合自适应算法，实现了高达 10 Krad·s-1 的无尽偏振追踪速度，及低至 0.92 dB 的片上光插损。

铌酸锂集成薄膜光子平台集低能耗、快速响应、无寄生调制损耗、低驱动电压、低光插耗等多种优势于一身，使得基于该平台的光学偏振操控器件在所有的性能参数方面均表现出优异的性能（如表一所示）。此外，铌酸锂薄膜集成光子平台的工作波长范围非常宽，可以覆盖可见光、近红外、中红外。综合这些优势，本研究成果为光的偏振态操控提供了革命性的新手段，并将开辟新的应用领域。