Light|高速度、低電壓、小尺寸鈮酸鋰薄膜偏振操控器件

2022-05-01 10:36

來源：澎湃新聞·澎湃號·湃客

撰稿 | 論文作者課題組投稿

自由空間中的光波（以及其他頻率的電磁波）是橫波，它的電場和磁場的振動方向在與傳播方向垂直的橫截面內有各種可能取向，這就是光的偏振特性。偏振在相干光通信、工業檢測、生物醫學、地球遙感、現代軍事、航空以及海洋等領域具有重要的應用價值。

在自然界中，為了更好地導航，很多生物進化出了可以分辨光的偏振態的視覺系統。比如蜜蜂有五只眼（三只單眼、兩只復眼），每個復眼包含有 6300 個小眼，這些小眼能夠幫助蜜蜂獲取光在天空中各個方向的偏振態分布圖。蜜蜂可以通過偏振態分布圖定位并且準確無誤地把它的同類引到它所找到的花叢。人類不具備類似蜜蜂的生理器官來感知光的偏振態，需要借助人工設備感知和操控光的偏振態。一個典型的例子是人們利用偏振眼鏡，把不同圖像的光線以相互垂直的偏振分別導入到左右眼中，這就是電影院中 3D 電影的原理。

研制高性能的光學偏振操控器件是發展偏振光應用技術的關鍵。典型的偏振操控器件包括偏振態產生器、擾偏器、偏振分析器、偏振控制器等。近年來，光學偏振操控技術正在加速進步，并深度融合到多個具有重大意義的新興領域。

以光通信為例，在數據中心海量數據傳輸需求的推動下，長距離相干光通信技術正逐步向對成本和能耗高度敏感的短距離互連應用擴散，而利用偏振操控技術可以有效降低短距離相干光通信系統的成本和功耗。然而，目前偏振操控主要采用分立光學元件實現，嚴重制約了性能的提升和成本的降低。隨著光電子集成技術的蓬勃發展，集成化和芯片化是光學偏振操控器件未來發展的重要趨勢。

鑒于此，近日，中山大學 蔡鑫倫 教授課題組聯合河北大學、廣東工業大學和加拿大大不列顛哥倫比亞大學，在鈮酸鋰薄膜光子集成平臺上，實現了集成的光學偏振操控芯片，包括了偏振發生器、擾偏器、偏振分析器、偏振控制器等主要功能。這些芯片的偏振產生速度、偏振消光比、偏振擾偏速度、測量速度等主要參數創造了新的世界記錄，并且在高速度、低成本、無寄生調制損耗、低驅動電壓等方面表現出優異的性能。

該成果以"High Performance Polarization Management Devices Based on Thin-Film Lithium Niobate"為題發表在 Light: Science and Applications 期刊上。

目前高性能的偏振操控器件大多基于鈮酸鋰晶體材料，如美國 EO Space 公司和德國 Novoptel 公司均有相應的商業化產品。然而，傳統鈮酸鋰晶體中制備的光波導存在折射率反差小、光場束縛能力弱的缺點，一方面導致器件尺寸大，難以滿足集成化的發展需求；另一方面導致電-光相互作用弱，器件驅動電壓居高不下。

近年來，基于鈮酸鋰薄膜材料的光子器件取得了歷史性進步，實現了比傳統鈮酸鋰光子器件更高的速度和更低的驅動電壓，因此備受業界青睞。該研究成果首次實現了一系列高性能鈮酸鋰薄膜光學偏振操控器件，這些器件由兩個基本單元構成：1. 偏振旋轉/分合波器，2. 馬赫-曾德爾干涉儀（名詞解釋>），如圖1所示。

圖1（a）偏振旋轉/分合波器和馬赫-曾德爾干涉儀的結構示意圖。
（b）-（d）分別是偏振發生器、偏振分析器和偏振控制器的結構示意圖。

偏振旋轉/分合波器是自由空間輸入光與鈮酸鋰薄膜芯片中的波導光之間的轉換接口，輸入光的水平和垂直偏振分量（H和V）經過偏振旋轉/分合波器之后，分別轉化為兩個波導中的水平光場，這一轉換過程將輸入光的不同偏振轉換為芯片上的不同路徑。在芯片內部，上述兩個波導光的相對振幅和相位由馬赫-曾德爾干涉儀和兩個移相器進行調控。通過結合偏振旋轉/分合波器和馬赫-曾德爾干涉儀，就可以對光波的偏振態進行操控。

器件對光的偏振調控主要基于鈮酸鋰薄膜材料的泡克爾斯效應（名稱解釋>），通過電壓對光相位的調控實現，其響應速度快至千萬億分之一秒級別。這一效應可以實現純相位調制，而不引入額外損耗，因而在用于偏振控制時可以不改變兩個偏振分量的相對振幅，而是實現純粹的偏振態旋轉。

鈮酸鋰器件的驅動電壓可以比傳統鈮酸鋰器件低一個數量級以上，非常有利于實現高速、高保真度、低能耗的偏振調控器件。

本工作研制的系列偏振操控器件包括：

1. 偏振發生器：其功能是快速且穩定地產生任意偏振態，如圖1（b）所示。研究團隊提出了級聯兩級馬赫-曾德爾干涉儀的方法，實現了偏振消光比高達 41.9 dB 的高保真度偏振態的產生，并進一步，通過在調制電極上加載鋸齒波信號，實現了偏振態擾動速度高達 65 Mrad·s-1 的擾偏器。

2. 偏振分析器：其功能是快速且準確地測量任意偏振態，如圖1（c）所示。研究團隊提出分時投影測量方法與最優測量基矢相結合的方法，實現了高達 250 KS/s 的偏振態測量采樣速度和 1.58° 的偏振角測量準確度。

3. 偏振控制器：其功能是可以“無盡（endless）”的方式把偏振態隨時間變化的光的全部能量轉化為一個確定偏振態的光（即龐加勒球上的一個點），如圖1（d）所示. 研究團隊提出了級聯多級馬赫-曾德爾干涉儀的結構，并配合自適應算法，實現了高達 10 Krad·s-1 的無盡偏振追蹤速度，及低至 0.92 dB 的片上光插損。

鈮酸鋰集成薄膜光子平臺集低能耗、快速響應、無寄生調制損耗、低驅動電壓、低光插耗等多種優勢于一身，使得基于該平臺的光學偏振操控器件在所有的性能參數方面均表現出優異的性能（如表一所示）。此外，鈮酸鋰薄膜集成光子平臺的工作波長范圍非常寬，可以覆蓋可見光、近紅外、中紅外。綜合這些優勢，本研究成果為光的偏振態操控提供了革命性的新手段，并將開辟新的應用領域。