[科普中国]-偏振射束分离器

背景技术

相干光通信系统由于具有很多其它系统所没有的优点而越来越受到人们的重视。

首先，当本机振荡器功率足够高时，相干光通信系统只受限于被接收光信号的量子噪声，因而具有更高的灵敏度。

其次，相干光通信系统增加了接收机的选择性。

另外，相干光通信系统可以便用相移键控和频移键控的恒定包络调制方案，前者要求采用外调制器，可减小受激布里渊散射的影响，后者可由直接调制激光光源来实现，能显著抑制啁啾效应。

然而相干接收机需要使本机振荡器的偏振状态和被接收光信号的偏振状态相匹配，实际上，只有本机振荡器的偏振状态是可以控制的，接收信号的偏振状态是不同于在发射机端注入到光纤中的信号的偏振状态，而且随环境、温度和应力的改变而改变，这些变化的时间常数范围，根据环境条件扰动的程度和变化速率可以从几秒到几小时。这种现象称为光纤的双折射。它起因于单模光纤所支持圃两个相互正交的偏振模式的传播常数不同，并导致两个偏振状态之间的功率交换。反过来这又造成沿光纤传播的光波的偏振状态的随机起伏2。

偏振光偏振是光束的重要特性之一。偏振光是光波的光矢量的方向不变，只是其大小随相位变化的光。

光的偏振现象与各向异性晶体有着密切联系：一束非偏振光入射到各向异性晶体中，一般地将分解为两束偏振光(双折射)：最为重要的偏振器件是由晶体制成的。

麦克斯韦的电磁理论，阐明了光波是一种横波，即它的光矢量始终是与传播方向垂直的。如果在光波中，光矢量的振动方向在传播过程中(指在自由空间中传播)保持不变，只是它的大小随相位改变，这种光成为线偏振光。 线偏振光的光矢量与传播方向组成的面就是线偏振光的振动面。线偏振光是偏振光的异种，此外还有圆偏振光和椭圆偏振光。

圆偏振光的特点是，在传播过程中，它的光矢量大小不变，而方向绕传播轴均匀地转动，端点的轨迹是一个圆。满圆偏振光的光矢量的大小和方向在传播过程中都有规律地变化，光矢量端点沿着一个椭圆轨迹转动。

偏振光可用于汽车车灯、摄像机镜头、LED液晶屏等，本文基于变换光学，利用光的偏振设计偏振分离器。常规的偏振分离器有光子晶体偏振分离器和Kwon利用光学从常规的相位变换方法出发设计的偏振分离器3。

原理介绍偏振光束分离器早在1947年由Banning发明了一种偏振光束分离器(简称偏光器)，利用Brewster角反射原理，选择多层膜膜层，当层数足够多时，反射和透射的光束差不多由交叉的线偏振光组成，此后，进行了一系列研究，改进了全色性能、视场、透过率及材科稳定性等。

目前这类偏光器的偏振度一股为99%以上，好的可达99.5%，视场可用于焦比8：1的会聚光中，工作波长范围可达 左右，膜层数一般为8—10层，光的吸收一般小于10%，优质的可小于3%，透射性能比偏振片要好，偏振片一般吸收15%左右1。

组合偏振光束分离器(简称组偏器)在传统的双折射漏光器中使用偏振片，它只让轴向线偏振光通过，而把垂直方向的光吸收转化为有害的热量。与偏振片不同，偏光器利用两束光，使光信息利用率提高一倍．但它虽巳发明近四十年却从未有滤光器使用过它。

主要因为：偏振度只有99%，达不到滤光器所要求的99.9%；体积大，价格稍高，所以在双折射滤光器的使用中长期无人问津。为了克服它偏振度低的缺点，设计了组偏器。在其两柬光之后附加两片低偏振度的偏振片，其偏振度~90%，若偏光器偏振度为99%，则组偏器的偏振度为：

P=1一(1—0.99)×(1—0.9)=0.999。

就可满足滤光器要求的99.9%．由于偏振度90%的偏振片透过可达95%以上，所以组偏器的透过率在85%至92%之间，比单独的偏振片要稍高些。随着多层膜技术的提高，可望达到更高的透过率1。

常规的偏振分离器近些年来，偏振被广泛应用，偏振分束器就是其中光的偏振最典型的应用。偏振分离器可把电磁波相互正交的偏振分离器分开，并可以沿着不同的方向传播，偏振分束器在光存储、光通信、集成光路中具有重要的应用价值3。

光子晶体偏振分离器常规的偏振分离器一般基于晶体的双折射特性或多层膜结构，尺寸一般在毫米量级，往往不适用于微细加工技术，并在高密度集成电路中缺乏竞争优势。

人们为了设计出超紧凑、高效的光子学器件，更多的关注一类人工设计的新型功能材料，即光子晶体。它是利用介电材料的周期性排列在电磁波波长的尺度范围内可调控光波的流动。

近些年来，研究人员报道了集中光子晶体偏振分离器。此种偏振分离器是利用TE膜和TM 膜具有在光子晶体中不同的色散特性，使一种偏振模式处于负折射，另一种偏振模式处于正折射，或是利用光子禁带，使其中一种偏振模式在禁带被反射，而另一种偏振模式在导带可实现TE模和TM 膜的分离。

这些研究往往关注的是偏振模式的分离结构，若应用到集成电路中，无疑会带来器件效率降低、尺寸增大、制造复杂性增加等问题。Kim 等人提出了一种光子晶体和传统介质波导相结合的复合结构，利用光子晶体结构和介质波导结构实现光的传导和分束。

最近，光子晶体偏振分离器被研究人员提出，其特点是引入了线缺陷，可通过线缺陷波导使偏振模分离，但分束距离太小，或因为偏振模被原路反射所以只能使用透射的偏振模。光子晶体自身的特点，其复杂的能带结构能显现出各向异性和强色散性，并且带来了很多有意思的现象，如超棱镜效应、自准直效应、负折射效应等。

不需要引入线缺陷或非线性材料。基于自准直效应易实现低损耗传输、大角度偏折和分数比可任意的光分束。

光子晶体分束器是由两部分构成：分束结构和自准直结构。且自准直结构与偏振没有关系。自准直结构可用作虚拟波导，并能够同时用来传导TM 膜和TE膜，分束结构可用作偏振模式的分离3。

利用变换光学设计偏振分离器变换光学的快速发展，为设计电磁器件带来了更大的灵活性。

变换光学开始用于设计偏振分离器。在2008年，Kwon等人提出了利用变换光学设计偏振分离器。Kwon等人基于入射光的偏振状态，即将入射光束射为TE波和TM 波的混合波，分别设置控制TE波和TM 波的材料参数，Kw on等人对偏振分离器的设计是从变换光学的相位变换直接方法出发3。