本研究的唯一作者为Enan Cicek，来自土耳其Igdir University电气电子工程系。研究成果发表于期刊Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications 2025年第66卷，文章编号101452。
该研究属于集成光子学（Photonic Integrated Circuits, PICs）领域，聚焦于偏振控制关键技术——偏振旋转器（Polarization Rotator, PR）的设计与优化。由于硅基绝缘体（Silicon-on-Insulator, SOI）平台的双折射特性，光偏振态会影响光子器件性能，而现有偏振旋转器在尺寸、效率或带宽方面存在局限。因此，本研究旨在开发一种兼容CMOS工艺、兼具高效率与宽带宽的紧凑型偏振旋转器，以满足下一代偏振多样化PIC系统的需求。
传统偏振旋转器面临三重矛盾：
1. 绝热锥形结构（如多模干涉器件）效率高但尺寸大（数百微米）；
2. 等离子体方案尺寸小（几微米）但插入损耗高；
3. 多数方案仅支持窄带宽（<100 nm）。
本研究通过创新性结构设计，在29.5 μm长度内实现150 nm带宽的高效偏振转换。
研究提出一种双段式偏振旋转器，通过破坏波导的垂直与水平对称性打破TE/TM模式的正交性：
- 第一段（TM₀→TE₁转换）：
- 结构：输入直波导（宽度0.5 μm） + 双层锥形渐变区（长度20 μm）。上层为220 nm厚硅层（宽度从0.5 μm渐变为1.2 μm），下层为85 nm厚菱形硅层。
- 原理：通过双层结构调节模式有效折射率，在16–18 μm区域实现TM₀与TE₁的相位匹配，形成混合模式并完成转换（图2）。
- 第二段（TE₁→TE₀转换）：
- 结构：分裂锥形波导（长度9.5 μm，初始宽度1.2 μm） + 输出直波导（宽度0.5 μm）。
- 原理：分裂锥形使TE₁与TE₀模式在5–6 μm处发生耦合，最终输出TE₀模式（图3）。
采用三维时域有限差分法（3D-FDTD）进行仿真：
- 仿真设置：
- 边界条件：8层完美匹配层（PML）以减少反射；
- 网格精度：三方向均匀网格12 nm（约每个波长130个网格点）；
- 光源：1.4–1.7 μm宽带TM₀模式光源；
- 监测器：频域功率监测器与模式扩展监视器。
- 关键参数计算公式：
- 偏振转换效率（PCE）= 100% × (目标模式输出功率/输入功率)；
- 偏振转换损耗（PCL）= 10·log₁₀(目标模式输出功率/输入功率)；
- 消光比（ER）= 10·log₁₀(目标模式功率/非目标模式功率)。
完整器件（TM₀→TE₀）在150 nm带宽内：
- 综合指标：PCE >96%，PCL <0.18 dB，ER >16.7 dB；
- C波段优化：PCE 98%，PCL 0.07 dB，ER 19 dB；
- 1550 nm峰值性能：PCE 98.7%，PCL 0.054 dB，ER 20 dB（图9–10）。
与文献同类器件相比（表2），本研究在带宽（150 nm）、效率（>96%）和尺寸（1.2×29.5 μm²）三个维度实现最佳平衡：
- 相比绝热锥形方案（如[10]长度420 μm），尺寸缩小14倍；
- 相比等离子体方案（如[11]损耗>2.1 dB），PCL降低35倍。