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(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)方向在與傳播方向垂直的橫截面內(nèi)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(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、地球遙感、現(xiàn)代軍事、航空以及海洋等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

在自然界中，為了更好地導(dǎo)航，很多生物進(jìn)化出了可以分辨光的偏振態(tài)的視覺(jué)系統(tǒng)。比如蜜蜂有五只眼（三只單眼、兩只復(fù)眼），每個(gè)復(fù)眼包含有 6300 個(gè)小眼，這些小眼能夠幫助蜜蜂獲取光在天空中各個(gè)方向的偏振態(tài)分布圖。蜜蜂可以通過(guò)偏振態(tài)分布圖定位并且準(zhǔn)確無(wú)誤地把它的同類(lèi)引到它所找到的花叢。人類(lèi)不具備類(lèi)似蜜蜂的生理器官來(lái)感知光的偏振態(tài)，需要借助人工設(shè)備感知和操控光的偏振態(tài)。一個(gè)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(dǎo)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(xué)偏振操控器件是發(fā)展偏振光應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵。典型的偏振操控器件包括偏振態(tài)產(chǎn)生器、擾偏器、偏振分析器、偏振控制器等。近年來(lái)，光學(xué)偏振操控技術(shù)正在加速進(jìn)步，并深度融合到多個(gè)具有重大意義的新興領(lǐng)域。

以光通信為例，在數(shù)據(jù)中心海量數(shù)據(jù)傳輸需求的推動(dòng)下，長(zhǎng)距離相干光通信技術(shù)正逐步向?qū)Τ杀竞湍芎母叨让舾械亩叹嚯x互連應(yīng)用擴(kuò)散，而利用偏振操控技術(shù)可以有效降低短距離相干光通信系統(tǒng)的成本和功耗。然而，目前偏振操控主要采用分立光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)，嚴(yán)重制約了性能的提升和成本的降低。隨著光電子集成技術(shù)的蓬勃發(fā)展，集成化和芯片化是光學(xué)偏振操控器件未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

鑒于此，近日，中山大學(xué) 蔡鑫倫 教授課題組聯(lián)合河北大學(xué)、廣東工業(yè)大學(xué)和加拿大大不列顛哥倫比亞大學(xué)，在鈮酸鋰薄膜光子集成平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了集成的光學(xué)偏振操控芯片，包括了偏振發(fā)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(chǎn)生速度、偏振消光比、偏振擾偏速度、測(cè)量速度等主要參數(shù)創(chuàng)造了新的世界記錄，并且在高速度、低成本、無(wú)寄生調(diào)制損耗、低驅(qū)動(dòng)電壓等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

該成果以"High Performance Polarization Management Devices Based on Thin-Film Lithium Niobate"為題發(fā)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(guó) EO Space 公司和德國(guó) Novoptel 公司均有相應(yīng)的商業(yè)化產(chǎn)品。然而，傳統(tǒng)鈮酸鋰晶體中制備的光波導(dǎo)存在折射率反差小、光場(chǎng)束縛能力弱的缺點(diǎn)，一方面導(dǎo)致器件尺寸大，難以滿(mǎn)足集成化的發(fā)展需求；另一方面導(dǎo)致電-光相互作用弱，器件驅(qū)動(dòng)電壓居高不下。

近年來(lái)，基于鈮酸鋰薄膜材料的光子器件取得了歷史性進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了比傳統(tǒng)鈮酸鋰光子器件更高的速度和更低的驅(qū)動(dòng)電壓，因此備受業(yè)界青睞。該研究成果首次實(shí)現(xiàn)了一系列高性能鈮酸鋰薄膜光學(xué)偏振操控器件，這些器件由兩個(gè)基本單元構(gòu)成：1. 偏振旋轉(zhuǎn)/分合波器，2. 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（名詞解釋>），如圖1所示。

圖1（a）偏振旋轉(zhuǎn)/分合波器和馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的結(jié)構(gòu)示意圖。
（b）-（d） 分別是偏振發(fā)生器、偏振分析器和偏振控制器的結(jié)構(gòu)示意圖。

偏振旋轉(zhuǎn)/分合波器是自由空間輸入光與鈮酸鋰薄膜芯片中的波導(dǎo)光之間的轉(zhuǎn)換接口，輸入光的水平和垂直偏振分量（H和V）經(jīng)過(guò)偏振旋轉(zhuǎn)/分合波器之后，分別轉(zhuǎn)化為兩個(gè)波導(dǎo)中的水平光場(chǎng)，這一轉(zhuǎn)換過(guò)程將輸入光的不同偏振轉(zhuǎn)換為芯片上的不同路徑。在芯片內(nèi)部，上述兩個(gè)波導(dǎo)光的相對(duì)振幅和相位由馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x和兩個(gè)移相器進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)結(jié)合偏振旋轉(zhuǎn)/分合波器和馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x，就可以對(duì)光波的偏振態(tài)進(jìn)行操控。

器件對(duì)光的偏振調(diào)控主要基于鈮酸鋰薄膜材料的泡克爾斯效應(yīng)（名稱(chēng)解釋>），通過(guò)電壓對(duì)光相位的調(diào)控實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)速度快至千萬(wàn)億分之一秒級(jí)別。這一效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)純相位調(diào)制，而不引入額外損耗，因而在用于偏振控制時(shí)可以不改變兩個(gè)偏振分量的相對(duì)振幅，而是實(shí)現(xiàn)純粹的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)。

鈮酸鋰器件的驅(qū)動(dòng)電壓可以比傳統(tǒng)鈮酸鋰器件低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，非常有利于實(shí)現(xiàn)高速、高保真度、低能耗的偏振調(diào)控器件。

本工作研制的系列偏振操控器件包括：

1. 偏振發(fā)生器：其功能是快速且穩(wěn)定地產(chǎn)生任意偏振態(tài)，如圖1（b）所示。研究團(tuán)隊(duì)提出了級(jí)聯(lián)兩級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的方法，實(shí)現(xiàn)了偏振消光比高達(dá) 41.9 dB 的高保真度偏振態(tài)的產(chǎn)生，并進(jìn)一步，通過(guò)在調(diào)制電極上加載鋸齒波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了偏振態(tài)擾動(dòng)速度高達(dá) 65 Mrad·s-1 的擾偏器。

2. 偏振分析器：其功能是快速且準(zhǔn)確地測(cè)量任意偏振態(tài)，如圖1（c）所示。研究團(tuán)隊(duì)提出分時(shí)投影測(cè)量方法與最優(yōu)測(cè)量基矢相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 250 KS/s 的偏振態(tài)測(cè)量采樣速度和 1.58° 的偏振角測(cè)量準(zhǔn)確度。

3. 偏振控制器：其功能是可以“無(wú)盡（endless）”的方式把偏振態(tài)隨時(shí)間變化的光的全部能量轉(zhuǎn)化為一個(gè)確定偏振態(tài)的光（即龐加勒球上的一個(gè)點(diǎn)），如圖1（d）所示. 研究團(tuán)隊(duì)提出了級(jí)聯(lián)多級(jí)馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x的結(jié)構(gòu)，并配合自適應(yīng)算法，實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 10 Krad·s-1 的無(wú)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(tái)集低能耗、快速響應(yīng)、無(wú)寄生調(diào)制損耗、低驅(qū)動(dòng)電壓、低光插耗等多種優(yōu)勢(shì)于一身，使得基于該平臺(tái)的光學(xué)偏振操控器件在所有的性能參數(shù)方面均表現(xiàn)出優(yōu)異的性能（如表一所示）。此外，鈮酸鋰薄膜集成光子平臺(tái)的工作波長(zhǎng)范圍非常寬，可以覆蓋可見(jiàn)光、近紅外、中紅外。綜合這些優(yōu)勢(shì)，本研究成果為光的偏振態(tài)操控提供了革命性的新手段，并將開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。

表一 不同材料平臺(tái)的芯片級(jí)的光偏振操控器件的對(duì)比

論文信息

Lin, Z., Lin, Y., Li, H. et al. High-performance polarization management devices based on thin-film lithium niobate. Light Sci Appl 11, 93 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41377-022-00779-8

閱讀原文