基于液晶的片状波导芯片可调偏振转换器

《Optics & Laser Technology》：On-chip tunable polarization converter for slab waveguide based on liquid crystal

首次在slab波导中通过电调液晶包层实现偏振调制，实验获得20.88 dB和17.41 dB的偏振消光比，验证了场致液晶旋转对横磁模与横电模转换的物理机制，并证明该方案适用于多平台波导结构。

　　在集成光子学领域，波导是构建光路和实现光与物质相互作用的核心组件之一。其中，平板波导因其结构简单、易于加工、制造成本低以及适合大规模生产等优势，被广泛应用于多种光子学器件和系统。然而，尽管平板波导在集成光子学中占据重要地位，其在实现主动偏振调控方面仍面临一定挑战。相较之下，通道波导由于其二维结构，通常采用诸如不对称耦合器、非平面波导或双芯波导等方法实现偏振调控，而这些方法并不适用于具有单向光约束能力的平板波导。因此，开发一种适用于平板波导的主动偏振调控技术成为当前研究的重点。

为了突破这一限制，研究人员提出了一种创新的偏振调控方案，即通过在平板波导的包层中引入液晶（Liquid Crystal, LC），利用电场驱动液晶分子的取向变化，从而实现对波导模式的偏振调控。液晶作为一种典型的软性各向异性材料，兼具液体的流动性和晶体的有序性，同时具备高透光率、易于加工和对外部刺激（如电场、磁场或温度）具有快速响应等特性。将液晶引入波导结构，不仅可以实现对光传播路径的调控，还能通过改变液晶的取向，对波导模式的偏振状态进行灵活调整。

本研究首次在芯片上实现了针对平板波导的可调偏振转换器（On-chip Tunable Polarization Converter, OTPC），并基于理论分析和实验验证，展示了该技术在实现偏振调控方面的巨大潜力。通过实验，研究人员成功实现了对基本横向磁模（TM₀）和基本横向电模（TE₀）之间的相互转换，并获得了最大偏振消光比（Polarization Extinction Ratio, PER）为20.88 dB和17.41 dB的实验结果。这一结果表明，该技术不仅能够有效调控偏振状态，而且具有较高的性能指标，适用于多种光子学应用场景。

从原理上看，该偏振调控方法依赖于液晶的光学各向异性以及其在外加电场作用下的取向变化。通过电场驱动液晶分子的排列，使其在包层中形成特定的取向结构，进而改变波导的折射率分布，从而实现对光波的偏振调控。在理论模拟中，研究人员利用有限元方法（Finite Element Method, FEM）对波导模式的偏振转换过程进行了详细分析，发现液晶的取向变化会在相对介电张量中产生非对角项，从而导致偏振转换的发生。这一机制为实现芯片上的偏振调控提供了新的思路，并有望推动集成光子学领域的发展。

在实验实现方面，研究人员设计并制备了一种适用于平板波导的偏振转换器。该装置由四个主要部分组成，包括入射耦合区、区域A、区域B和出射耦合区，所有部分均集成在一块单棱镜上。入射和出射耦合区采用了Ulrich棱镜耦合方案，该方案通过梯度厚度的包层实现自由空间与平板波导之间的高效耦合。实验中，研究人员通过施加不同电压来调控液晶分子的取向，从而改变波导模式的偏振状态。当电压为0 V时，液晶处于垂直排列状态，此时波导模式的偏振状态较为单一，而随着电压的增加，液晶分子的取向发生变化，导致波导模式的偏振状态也随之改变。

实验结果表明，该偏振转换器在极低的功耗下（仅为0.28 mW）即可实现对偏振状态的调控，这为实现高能效的光子学器件提供了重要的技术支持。此外，该技术还具有结构紧凑、多平台适配性等优点，适用于不同材料体系的波导，如聚合物波导和氮化硅波导。这使得该方法在大规模、跨平台的光子学集成中展现出广阔的应用前景。

从应用场景来看，偏振调控技术在多个领域具有重要意义。例如，在芯片激光器中，通过调控偏振状态，可以实现更灵活的激光输出控制，提高激光器的性能和适用性。在集成超材料光学系统中，偏振调控可以增强系统的多功能性和信息处理能力，使超材料表面能够更有效地实现光的调控和转换。在光通信领域，偏振复用技术可以显著提高数据传输容量，而该技术的实现则依赖于对偏振状态的精确控制。在生物和环境传感中，偏振调控能够提升检测灵敏度和多模式检测能力，使传感器在更广泛的应用场景中发挥作用。

综上所述，本研究提出了一种创新的偏振调控方案，成功实现了针对平板波导的可调偏振转换器。该方法不仅在理论上得到了充分验证，而且在实验中取得了优异的性能指标。通过液晶的光学各向异性及其在外加电场作用下的取向变化，研究人员实现了对波导模式的偏振调控，这为集成光子学的发展提供了新的思路和技术支持。未来，随着该技术的进一步优化和推广，有望在更多光子学应用中发挥重要作用，推动光子学技术向更高效、更灵活、更智能化的方向发展。