10/23/2025，光纖在線訊，硅基光電子技術(shù)作為光芯片集成領(lǐng)域的主要平臺(tái)，將成熟的半導(dǎo)體制造工藝與光信息處理技術(shù)相結(jié)合。在硅基光電子系統(tǒng)中，管理光在波導(dǎo)中傳播時(shí)的偏振狀態(tài)是一個(gè)核心技術(shù)問題，這直接影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性[1]。

      
01.硅波導(dǎo)偏振效應(yīng)的物理機(jī)制
要理解偏振管理的必要性，首先需要掌握硅波導(dǎo)產(chǎn)生偏振相關(guān)效應(yīng)的根本原因。當(dāng)光波被限制在硅波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，不同偏振狀態(tài)的光會(huì)經(jīng)歷不同的有效折射率，這種現(xiàn)象被稱為雙折射效應(yīng)。雙折射的產(chǎn)生機(jī)制可以分為兩大類：幾何結(jié)構(gòu)引起的雙折射和制造過程中應(yīng)力誘導(dǎo)的雙折射。

      
圖1：硅基光電子偏振管理器件及其應(yīng)用的整體概覽，展示了偏振控制系統(tǒng)中各個(gè)器件的相互關(guān)系和應(yīng)用場景

幾何雙折射源于波導(dǎo)橫截面的不對(duì)稱性。在硅-絕緣體上硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，橫向電場（TE）模式的電場主要沿著芯片表面方向，而橫向磁場（TM）模式的電場主要垂直于芯片表面。由于波導(dǎo)的矩形橫截面，這兩種模式在水平和垂直方向上的限制程度不同，導(dǎo)致有效折射率存在差異。在亞微米尺寸的硅波導(dǎo)中，這種效應(yīng)尤其明顯，因?yàn)楣鈭鰰?huì)顯著延伸到包層區(qū)域，而在這些界面處折射率會(huì)發(fā)生急劇變化。

應(yīng)力誘導(dǎo)雙折射增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。在芯片制造過程中，不同材料層之間的熱膨脹系數(shù)差異、薄膜沉積過程中的內(nèi)在應(yīng)力，以及刻蝕工藝產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，都會(huì)改變硅材料的局部折射率分布。這些應(yīng)力效應(yīng)不僅影響材料界面，還會(huì)滲透到整個(gè)波導(dǎo)橫截面，根據(jù)應(yīng)力的大小和方向，可能會(huì)增強(qiáng)或部分抵消幾何雙折射效應(yīng)。

      
圖2：偏振管理的基礎(chǔ)物理概念，包括(a)3微米SOI平臺(tái)的幾何雙折射特性，(b)亞微米SOI波導(dǎo)的雙折射行為，(c)偏振狀態(tài)在龐加萊球上的表示方法，(d)硅波導(dǎo)中法拉第旋轉(zhuǎn)的龐加萊球表示

通過分析這些雙折射效應(yīng)，我們可以理解為什么TE和TM模式會(huì)以不同的速度傳播。當(dāng)這兩種模式在波導(dǎo)中傳播相同距離時(shí)，會(huì)積累不同的相位，這種相位差就是實(shí)現(xiàn)偏振操控的基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)偏振管理器件時(shí)，工程師需要精確計(jì)算和控制這些相位關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)所需的功能。

02.片上偏振分束器的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn)
偏振分束器在偏振管理系統(tǒng)中扮演基礎(chǔ)角色，其功能是將包含兩種偏振分量的光束分離為獨(dú)立的TE和TM模式輸出。現(xiàn)代硅基光電子技術(shù)中，偏振分束器的實(shí)現(xiàn)方法多樣，每種方法都有其獨(dú)特的設(shè)計(jì)考慮和性能特點(diǎn)。

多模干涉器（MMI）基偏振分束器利用多模波導(dǎo)的自成像特性來實(shí)現(xiàn)偏振分離。當(dāng)光進(jìn)入多模波導(dǎo)時(shí)，會(huì)激發(fā)多個(gè)高階模式，這些模式在傳播過程中會(huì)發(fā)生周期性的干涉和重建。關(guān)鍵在于TE和TM偏振的自成像周期不同，通過精確設(shè)計(jì)MMI的長度，可以使兩種偏振在不同的輸出端口處達(dá)到最佳聚焦?fàn)顟B(tài)。對(duì)稱MMI結(jié)構(gòu)具有良好的制造容差和溫度穩(wěn)定性，而級(jí)聯(lián)MMI設(shè)計(jì)則可以通過多級(jí)處理顯著提高消光比。

      
圖3：多種片上偏振分束器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，展示了(a)對(duì)稱MMI型偏振分束器，(b)級(jí)聯(lián)MMI型偏振分束器，(c)彎曲定向耦合器設(shè)計(jì)，(d)定向耦合器型偏振分束器，(e)光子晶體型偏振分束器，(f)基于馬赫-曾德干涉儀的偏振分離器

定向耦合器型偏振分束器采用了完全不同的工作原理。兩個(gè)相鄰的波導(dǎo)在一定長度內(nèi)緊密靠近，形成耦合區(qū)域。通過設(shè)計(jì)不同寬度的波導(dǎo)，可以使TM模式滿足相位匹配條件而發(fā)生耦合傳輸，而TE模式由于相位失配保持在原波導(dǎo)中直通傳輸。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于器件長度相對(duì)較短，但對(duì)制造精度要求較高，特別是波導(dǎo)間距和寬度的控制需要達(dá)到納米級(jí)精度。

光子晶體偏振分束器代表了一種更加精細(xì)的方法。通過在波導(dǎo)中引入周期性的折射率調(diào)制，可以創(chuàng)建光子帶隙結(jié)構(gòu)。對(duì)于特定的偏振方向，某些頻率的光無法在結(jié)構(gòu)中傳播，會(huì)被反射回來，而另一種偏振則可以透射通過。這種方法可以實(shí)現(xiàn)非常高的偏振選擇性，但設(shè)計(jì)和制造的復(fù)雜性也相應(yīng)增加。

馬赫-曾德干涉儀型偏振分束器利用干涉原理實(shí)現(xiàn)偏振分離。輸入光首先被分成兩路，在干涉儀的一臂中引入偏振相關(guān)的相位調(diào)制，然后兩路光重新合并。通過精確控制相位關(guān)系，可以使不同偏振的光在不同輸出端口產(chǎn)生建設(shè)性干涉，從而實(shí)現(xiàn)偏振分離。這種方法的靈活性較高，可以通過調(diào)節(jié)相位調(diào)制量來優(yōu)化性能。

03.偏振旋轉(zhuǎn)器的模式轉(zhuǎn)換機(jī)制
除了分離不同偏振之外，許多應(yīng)用場景還需要在TE和TM模式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。偏振旋轉(zhuǎn)器通過兩種主要機(jī)制實(shí)現(xiàn)這種功能：模式演化和模式耦合。理解這兩種機(jī)制的工作原理，對(duì)于設(shè)計(jì)高效的偏振旋轉(zhuǎn)器至關(guān)重要。

模式演化型偏振旋轉(zhuǎn)器的基本思想是通過漸變的幾何結(jié)構(gòu)引導(dǎo)光模式從一種偏振狀態(tài)平滑過渡到另一種偏振狀態(tài)。最典型的實(shí)現(xiàn)方式是絕熱錐形結(jié)構(gòu)，通過沿傳播方向緩慢改變波導(dǎo)的橫截面形狀，使得原本支持TE模式的結(jié)構(gòu)逐漸演變?yōu)橹С諸M模式的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)過程中，如果幾何變化足夠緩慢（滿足絕熱條件），光模式會(huì)跟隨結(jié)構(gòu)的變化而連續(xù)演化，最終實(shí)現(xiàn)完全的偏振轉(zhuǎn)換。

      
圖4：片上偏振旋轉(zhuǎn)器的各種實(shí)現(xiàn)方案，包括(a)模式演化和模式耦合型旋轉(zhuǎn)器的基本結(jié)構(gòu)對(duì)比，(b)基于模式演化的偏振耦合器設(shè)計(jì)，(c)基于絕熱模式轉(zhuǎn)換的螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，(d)采用亞波長光柵結(jié)構(gòu)的偏振旋轉(zhuǎn)器

扭轉(zhuǎn)波導(dǎo)是模式演化方法的一個(gè)精巧實(shí)例。在這種設(shè)計(jì)中，波導(dǎo)核心沿著傳播方向發(fā)生物理旋轉(zhuǎn)，就像螺旋一樣。當(dāng)線偏振光進(jìn)入這樣的波導(dǎo)時(shí)，偏振方向會(huì)跟隨波導(dǎo)核心的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)偏振狀態(tài)的連續(xù)調(diào)節(jié)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)任意角度的偏振旋轉(zhuǎn)，但制造工藝相對(duì)復(fù)雜。

模式耦合型偏振旋轉(zhuǎn)器采用了不同的策略，通過在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)TE和TM模式之間的強(qiáng)耦合來完成偏振轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵是破壞波導(dǎo)的幾何對(duì)稱性，常用的方法包括非對(duì)稱蝕刻、側(cè)壁傾斜等。當(dāng)波導(dǎo)失去對(duì)稱性時(shí)，TE和TM模式之間會(huì)產(chǎn)生耦合，在特定的耦合長度處可以實(shí)現(xiàn)完全的模式轉(zhuǎn)換。

亞波長光柵結(jié)構(gòu)提供了一種特別靈活的模式耦合實(shí)現(xiàn)方式。通過在波導(dǎo)中引入周期小于光波長的光柵結(jié)構(gòu)，可以精確控制TE和TM模式的有效折射率和模式耦合強(qiáng)度。這種方法不僅可以實(shí)現(xiàn)高效的偏振轉(zhuǎn)換，還具有較寬的工作帶寬和良好的制造容差。

04.非互易器件與光學(xué)隔離技術(shù)
在偏振管理技術(shù)中，最具挑戰(zhàn)性的部分是實(shí)現(xiàn)非互易功能，即使器件對(duì)正向和反向傳播的光表現(xiàn)出不同的響應(yīng)。這類器件，特別是光學(xué)隔離器和環(huán)行器，在保護(hù)激光器免受反射光干擾方面發(fā)揮重要作用。

傳統(tǒng)的光學(xué)隔離技術(shù)主要依賴磁光材料的法拉第效應(yīng)。當(dāng)線偏振光通過處于磁場中的磁光材料時(shí)，偏振面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度與材料厚度和磁場強(qiáng)度成正比。法拉第效應(yīng)的一個(gè)重要特性是非互易性：正向和反向傳播的光會(huì)產(chǎn)生相同方向的偏振旋轉(zhuǎn)，這與幾何雙折射的互易性形成對(duì)比。

      
圖5：片上非互易器件的多種實(shí)現(xiàn)方案，展示(a)基于馬赫-曾德干涉儀的隔離器/環(huán)行器結(jié)構(gòu)，(b)集成鈰摻雜釔鐵石榴石的隔離器，(c)直接鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，(d)聲光調(diào)制型隔離器，(e)基于受激布里淵散射的隔離器，(f)光機(jī)械非互易器件

硅基集成的磁光隔離器面臨材料兼容性的挑戰(zhàn)。釔鐵石榴石（YIG）和鈰摻雜的釔鐵石榴石等磁光材料與硅的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異很大，直接生長困難。目前主要采用兩種集成方法：異質(zhì)外延生長和鍵合技術(shù)。異質(zhì)外延雖然可以實(shí)現(xiàn)單片集成，但材料質(zhì)量和光學(xué)損耗是主要問題。鍵合技術(shù)通過將在專用襯底上制備的高質(zhì)量磁光薄膜轉(zhuǎn)移到硅波導(dǎo)上，可以獲得更好的材料特性，但工藝復(fù)雜性增加。

馬赫-曾德干涉儀型光學(xué)隔離器將磁光效應(yīng)與干涉原理巧妙結(jié)合。在干涉儀的上臂集成磁光材料，下臂保持為普通硅波導(dǎo)。輸入的TE模式在進(jìn)入上臂前先轉(zhuǎn)換為TM模式，在磁光材料中經(jīng)歷非互易相移，然后再轉(zhuǎn)換回TE模式。由于非互易相移的存在，正向和反向傳播的光在輸出端會(huì)產(chǎn)生不同的干涉結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)隔離功能。

無磁場的光學(xué)隔離技術(shù)正在快速發(fā)展，這些方法避免了磁性材料帶來的復(fù)雜性。受激布里淵散射是其中一種方法，利用光波與聲波的非線性相互作用產(chǎn)生非互易延遲。光機(jī)械系統(tǒng)通過機(jī)械振動(dòng)的參與打破時(shí)間反演對(duì)稱性，實(shí)現(xiàn)非互易光傳輸。時(shí)間調(diào)制方法通過對(duì)器件參數(shù)的周期性調(diào)制創(chuàng)造合成磁場效應(yīng)。雖然這些方法避免了磁性材料，但通常需要額外的泵浦光或電驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)復(fù)雜性有所增加。

05.新材料平臺(tái)的發(fā)展趨勢
硅基光電子偏振管理技術(shù)的發(fā)展不僅限于傳統(tǒng)的硅-絕緣體上硅平臺(tái)，各種新興材料平臺(tái)正在為偏振控制提供新的方案和可能性。這些材料平臺(tái)各自具有獨(dú)特的光學(xué)和材料特性，適用于不同的應(yīng)用需求。

氮化硅平臺(tái)因其極低的傳播損耗而受到關(guān)注。氮化硅的折射率雖然比硅低，但與二氧化硅包層的折射率差仍然足以實(shí)現(xiàn)光的有效限制。更重要的是，氮化硅的雙折射效應(yīng)相對(duì)較小，這既是優(yōu)勢也是挑戰(zhàn)：小的雙折射減少了偏振敏感性，但也使得基于雙折射的偏振操控更加困難。因此，氮化硅平臺(tái)的偏振器件通常采用模式演化或幾何不對(duì)稱的設(shè)計(jì)方案。

      
圖6：新興材料平臺(tái)在偏振管理中的應(yīng)用，包括(a)磷化銦平臺(tái)的偏振控制應(yīng)用，(b)鈮酸鋰器件的特性展示，(c)氮化硅-二硫化鎢復(fù)合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，(d)超表面偏振控制器件，(e)石墨烯太赫茲隔離器和2D半導(dǎo)體器件，(f)韋爾半金屬的逆法拉第旋轉(zhuǎn)應(yīng)用

絕緣體上鈮酸鋰平臺(tái)具有優(yōu)異的電光特性和天然的雙折射性能。鈮酸鋰晶體的雙折射系數(shù)很大，可以在相對(duì)較短的長度內(nèi)實(shí)現(xiàn)顯著的偏振效應(yīng)。同時(shí)，鈮酸鋰的線性電光效應(yīng)使得可以通過施加電場來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)偏振狀態(tài)，這為可調(diào)偏振器件提供了理想的材料基礎(chǔ)。薄膜鈮酸鋰技術(shù)的發(fā)展使得高質(zhì)量的鈮酸鋰薄膜可以鍵合到硅襯底上，結(jié)合了鈮酸鋰的優(yōu)異光學(xué)特性和硅基工藝的成熟性。

2D材料為偏振控制帶來了新的物理機(jī)制。石墨烯具有獨(dú)特的線性能帶結(jié)構(gòu)和可調(diào)的費(fèi)米能級(jí)，可以實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧的法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。黑磷的強(qiáng)面內(nèi)各向異性使其成為天然的偏振器件材料，可以實(shí)現(xiàn)電控制的偏振轉(zhuǎn)換。過渡金屬硫化物如二硫化鉬、二硫化鎢等具有強(qiáng)的激子效應(yīng)和谷極化特性，為偏振相關(guān)的光-物質(zhì)相互作用提供了新的途徑。

超材料和超表面技術(shù)代表了偏振控制的前沿發(fā)展方向。通過設(shè)計(jì)亞波長尺度的人工結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)天然材料無法達(dá)到的光學(xué)響應(yīng)。超表面可以在單個(gè)界面上同時(shí)控制光的振幅、相位和偏振，實(shí)現(xiàn)功能高度集成的偏振控制器件。這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)自由度很大，可以針對(duì)特定應(yīng)用需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。

韋爾半金屬等拓?fù)洳牧险宫F(xiàn)了獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，如逆法拉第效應(yīng)，為非互易光學(xué)器件提供了新的物理基礎(chǔ)。這些材料的拓?fù)浔Ｗo(hù)特性使得器件對(duì)制造缺陷和環(huán)境擾動(dòng)具有天然的魯棒性，這對(duì)于實(shí)用化的光電子集成芯片具有重要意義。

現(xiàn)代偏振管理技術(shù)的發(fā)展方向是將這些不同材料平臺(tái)的優(yōu)勢進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成異質(zhì)集成的解決方案。例如，可以將硅基波導(dǎo)用于信號(hào)傳輸和基礎(chǔ)處理，鈮酸鋰用于高速電光調(diào)制，2D材料用于非線性光學(xué)效應(yīng)，超表面用于復(fù)雜的偏振變換。這種多材料集成的方法雖然增加了工藝復(fù)雜性，但可以實(shí)現(xiàn)單一材料無法達(dá)到的綜合性能。

隨著制造工藝的進(jìn)步和新材料的不斷發(fā)現(xiàn)，硅基光電子偏振管理技術(shù)將繼續(xù)向著更高性能、更低功耗、更緊湊集成的方向發(fā)展。這些技術(shù)進(jìn)步將為光通信、光計(jì)算、光傳感等應(yīng)用領(lǐng)域提供更加可靠和高效的解決方案，推動(dòng)光電子技術(shù)在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)
[1] D. Shahwar, H. H. Yoon, S.-T. Akkanen, D. Li, S. t. Muntaha, M. Cherchi, T. Aalto, and Z. Sun, "Polarization management in silicon photonics," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 35, 2024, doi: 10.1038/s44310-024-00033-6.

來源：逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化