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硅基片上可切换偏振分束器的设计与实验验证

作者与发表信息
本研究的核心团队由Shaojie Yin（嘉兴光子传感与智能成像重点实验室、嘉兴浙江大学智能光学与光子学研究中心）、Huaqing Qiu（丹麦技术大学光子工程系）、Zhibin Wang（燕山大学电气工程学院）、Daoxin Dai（浙江大学现代光学仪器国家重点实验室）及Xiaowei Guan（通讯作者，丹麦技术大学光子工程系）组成。研究成果于2022年2月15日发表于Optics Letters第47卷第4期，标题为《On-chip silicon switchable polarization beam splitter》。

学术背景
偏振控制是光学系统的核心课题之一，而偏振分束器（Polarization Beam Splitter, PBS）作为关键器件，在微波光子学、光通信、量子信息处理等领域具有广泛应用。传统PBS基于体材料或光纤实现，但难以满足集成光子学对小型化与可调谐的需求。尽管硅基光子学平台已开发出多种PBS（如定向耦合器、马赫-曾德尔干涉仪等），但这些器件均存在输出路径固定的局限性。本研究首次提出并实验验证了一种基于硅波导的片上可切换PBS，其核心创新在于通过热调谐实现偏振光束输出路径的动态切换，为光学路由、多参数传感等应用提供了新思路。

研究流程与方法
1. 设计与仿真阶段
- 结构设计：器件基于定向耦合器（Directional Coupler, DC）结构，包含直波导（长度L）和90°弯曲波导（半径R）。关键参数包括波导高度（h=250 nm）、宽度（w=400 nm）和间距（wgap=150 nm）。
- 模式分析：通过有限差分法（FDM）计算横向电场（TE）和横向磁场（TM）偏振的模式分布，提取传播常数β，并推导耦合长度公式：
[ lc(\text{TE}) = \frac{\pi}{|\beta{e,\text{TE}} - \beta_{o,\text{TE}}|}, \quad lc(\text{TM}) = \frac{\pi}{|\beta{e,\text{TM}} - \beta_{o,\text{TM}}|} ]
- 参数优化：通过三维时域有限差分法（3D-FDTD）验证耦合长度，发现温度变化（ΔT=60 K）可显著改变耦合长度比（k=lc(TE)/lc™），从而满足切换条件。最终选定L=521.2 μm，使TE/TM偏振在加热前后分别耦合奇数次/偶数次。

1. 制备与实验验证
   
   • 器件制备：采用绝缘体上硅（SOI）晶圆，通过电子束光刻和反应离子刻蚀加工波导结构，并覆盖1 μm二氧化硅钝化层。
     
   • 测试系统：使用温控系统（TEC）加热器件至85°C，通过光纤耦合输入1550 nm激光，测量直通端口（thru port）和交叉端口（cross port）的传输谱。
     
   • 性能指标：初始状态（28°C）下，TE和TM偏振的消光比（ER）分别为17.3 dB和18 dB；加热后（85°C），两偏振输出路径完全交换，消光比仍保持>12 dB，损耗低于2 dB。
     

主要结果
- 理论验证：仿真显示加热后TE/TM偏振的耦合次数从47/124次变为46/123次，成功实现路径切换（图5）。
- 实验验证：实测器件（w=390 nm, wgap=160 nm）在1550 nm波长下表现出与仿真一致的行为，但消光比略有下降（图7），归因于波导侧壁粗糙度。

结论与价值
1. 科学价值：首次在片上实现了可切换PBS，突破了传统硅基PBS输出路径固定的限制，为动态偏振控制提供了新范式。
2. 应用潜力：该器件可应用于可重构光网络、量子信息处理器件及多参数光学传感器，提升系统灵活性。

研究亮点
- 创新性设计：通过耦合长度与温度的协同调控，实现偏振路径的可编程切换。
- 工艺兼容性：采用标准硅光工艺，与CMOS技术兼容，便于大规模集成。

其他价值
研究还探讨了硅氮化物波导作为替代材料的可能性，以进一步降低工艺敏感性。数据可通过作者申请获取，为后续研究提供参考。

（注：专业术语如“消光比（Extinction Ratio, ER）”“定向耦合器（Directional Coupler）”等首次出现时标注英文原文。）