光子芯片上实现偏振产生与分析功能的集成
2026-08-30 09:29:14 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种光子集成架构，可在单颗芯片上实现任意偏振态的产生与分析。该系统将四端口偏振分束光栅耦合器与自配置MZI阵列相结合，构建了一个能够对完整偏振自由度进行可编程调控的统一平台。
偏振是光子学中应用最为广泛的自由度之一，然而在芯片上对偏振进行调控仍颇具挑战。近期，一种可重构硅光子技术在单颗芯片上实现了偏振产生与分析功能的集成，为先进通信、传感与光信息处理带来新机遇。
偏振是光的一种基本属性，可用于光通信系统中的信息传输，也能为光学成像与传感提供对比度增强机制，还能在量子光子学领域提供了一个关键的自由度。尽管偏振应用广泛，但针对光偏振态的产生、调控与分析，相关研究依然十分活跃。当前面临的主要挑战之一在于，偏振控制仍主要依赖于波片、偏振片、分束器及自由空间干涉仪等体积庞大的光学元件。随着光子系统向高集成度和可扩展性方向发展，当下的挑战已不再仅仅是高精度地产生或测量偏振态，而是如何在微型光子芯片上实现这些功能。这种集成化技术将使基于偏振的通信与传感技术得以应用于低成本、便携式乃至可穿戴设备中。
光子学技术的最新进展，使得在芯片上集成日益复杂的功能取得了显著突破。由马赫-曾德尔干涉仪（MZI）构成的可编程光子网格，可实现任意线性光学变换，构建通用可编程光子电路。该类架构已被证实可高效实现结构化光束的生成、分析与分选、正交空间模式分离、波前畸变光束检测，以及任意光学系统下最优通信信道的识别。
据麦姆斯咨询介绍，在Valdez等人的最新研究工作中，提出了一种光子集成架构，可在单颗芯片上实现任意偏振态的产生与分析（如下图）。该系统将四端口偏振分束光栅耦合器与自配置MZI阵列相结合，构建了一个能够对完整偏振自由度进行可编程调控的统一平台。其关键创新在于采用了垂直入射工作模式的偏振分束光栅耦合器，这使得两种偏振态均能获得最佳耦合条件，从而降低了插入损耗，并简化了与自由空间光束的光学对准过程。
基于光子集成架构的偏振合成器与分析器
该硅光子芯片集成了四端口偏振分束光栅耦合器与自配置二叉树型MZI阵列。该可重构硅光子架构可全面调控偏振自由度，并支持双向工作。正向工作时，MZI阵列通过控制光场的相对振幅与相位，合成任意偏振态；反向工作时，同一电路对偏振解复用后的信号进行干涉重组，实现入射偏振态分析，从而在无需直接探测光束的情况下重构入射偏振信息。
正向工作时，电路通过控制输入至光栅耦合器的复振幅，合成任意偏振态。反向工作时，同一电路借助干涉重组原理完成入射偏振态分析，并直接从光子网格经校准的相位设置提取斯托克斯（Stokes）参数。该偏振测量在庞加莱球（Poincaré sphere）上的精度约为数度量级，与其它集成光子实现方法相当，接近传统的体光学系统性能（体光学系统通常可实现亚度量级精度）。
与传统的偏振仪不同，该方法无需直接探测或吸收光信号本身，即可完成偏振分析。传统的偏振测量需要经过一系列偏振投影后做光强探测，会不可避免地损耗光信号。与之相比，研究人员演示的干涉测量方法可保留光场，供后续处理使用。这种能力在光谱学、相干通信、自适应传感以及量子信息系统中具备极高应用价值。
该成果是偏振产生、调控、分析器件集成技术逐步发展的产物。已报道的现有器件大多仅可实现偏振分析或者偏振调控，无法在同一光子平台上兼顾两项功能。Velha等人最早提出一类集成偏振控制器，演示了一款宽带硅光子芯片：既能够生成任意偏振态，也可将偏振分量重新合成为光波导的横电（TE）模式，以此补偿入射偏振态。Lin等人展示的首批芯片级全斯托克斯偏振仪，可直接在硅光子平台上重构任意偏振态。
该芯片完全依靠无源器件实现，不具备偏振产生与调控所需的可重构能力。后续研究在同一颗芯片上集成热调谐微环谐振滤波器，将该技术拓展至光谱偏振测量，实现光谱与偏振特性的同步表征。近期，Stockinger等人基于氮化硅光子平台，把集成偏振测量拓展至可见光波段，并提出一套鲁棒校准框架，用于补偿工艺缺陷、偏振串扰、相位误差以及光栅耦合器的非理想特性。在此技术背景下，Valdez等人报道的架构是首款依托同一硬件平台，既可合成任意偏振态、又可分析未知偏振态的光子芯片。
但该方向的研究远未结束，片上偏振调控性能仍有较大提升潜力。当前方案采用热光相移器，每个驱动单元功耗较高（18 mW），调谐速度较慢（30 μs）。基于载流子耗尽型硅调制器、薄膜铌酸锂、MEMS相移器的电光驱动技术，可将开关速度与能效提升数个数量级。上述性能提升对需要快速偏振跟踪、低功耗运行的场景尤为重要，包括高速相干光通信、自由空间光链路、自适应光学、激光雷达（LiDAR）、卫星通信以及偏振复用光收发模块。
此外，该偏振分束光栅耦合器实测插入损耗约4.5dB，对于量子光子学、天体光子学这类对损耗高度敏感的应用，会形成性能瓶颈。未来通过采用多刻蚀光栅、双层结构、底部反射镜或增设功能材料层，有望大幅提升耦合效率，同时抑制反射、散射与偏振重构误差。
展望未来，光子系统将同时利用光的多重自由度，包括波长通道、空间模式、相干性以及偏振。可编程集成光子学的飞速发展证明：过去依靠复杂体光学组件搭建实现的功能，如今已经能够在单颗可重构光子芯片上完成 。在此背景下，Valdez等人报道的集成偏振合成-分析器件，标志着向具备片上偏振调控能力的多功能光子处理器迈出了关键一步。
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