文/张祖兴、周夏冰 ，南京邮电大学先进光子技术研究所

在现代光学系统中，偏振光常作为信息的载体，因此控制光束的偏振态是一个十分重要的研究范畴。偏振分束器是将TE模和TM模按照不同的传播方向分开，从而获得两正交偏振光束的光学元件，并具有偏振器和分束器的功能，在激光、液晶显示、光通信、光存储以及偏振成像等领域中起着重要作用。

随着光纤通信及光纤传感测量技术的迅猛发展，偏振分束器变得越发重要，尤其是具有高消光比、高透射率、低损耗且微型化的偏振分束器。

常见的偏振分束器

偏振分束棱镜

图1 偏振分束棱镜

偏振分束棱镜大多由晶体制作而成，主要有Rochon棱镜、Wollaston棱镜等，是激光应用和调制技术的关键器件。其基本工作原理如图2所示，主要利用自然晶体的双折射效应和光的折射角大小与光偏振方向有关，改变偏振方向相互垂直的两束线偏振光的传播方向。在偏振光干涉系统中常用于比较偏振方向互相垂直的两束线偏振光强度，应用较为普遍。

图2 （a）Rochon棱镜；（b）Wollaston棱镜

Rochon棱镜前后两个半块棱镜的通光面通过光学胶合剂粘合，将入射光束分成两束正交偏振的输出光束，一束偏振光保持与入射光束相同的方向，与其正交的另一束偏振光会有一定角度的偏离，这个角度取决于光的波长和棱镜的材料。

该晶体不但能应用于起偏分束光路，还可应用于偏振度测量与空间退偏领域，但由于Rochon棱镜抗光损伤阈值低，无法应用于高功率环境中，且不能反向使用，否则会产生锥光干涉现象，影响偏振度。

Wollaston棱镜由两块光轴共面且互相垂直的晶体组成，两出射平面偏振光相对入射光向两侧偏折，其偏振分束角比较大，约为Rochon棱镜的两倍，在成像光谱仪、实时偏振成像技术以及偏振差分干涉成像等领域有很广的应用。

晶体波导偏振分束器

晶体波导偏振分束器按组成结构分为基于光子晶（PhotonicBand-Gap,PBG）偏振分束器和光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF) 偏振分束器两种。

基于光子晶体偏振分束器主要是利用两个平行周期介质波导中的定向耦合，来设计一种结构简单、结构紧凑的偏振分束器，根据光子晶体独特的性质，可以控制电磁波在器件中的传播，具有入射角度可变，透射率较高，消光比良好，尺寸较小，易于制作和集成化的特点。

目前光子晶体偏振分束器的实现方法主要有三种：（1）基于多模干涉原理，在光子晶体中形成缺陷，通过波导耦合来实现偏振分束；（2）通过设置合理参数，根据空气孔型光子晶体中两种偏振模式（TE模和TM模）的不同光子晶体带隙实现偏振分束；（3）通过设置合理的结构，利用两种模式在介质柱型光子晶体中表现出的正折射和负折射的不同来实现偏振分束。

基于光子晶体光纤的偏振分束器方面，北海道大学Saitoh K等人利用三芯光子晶体光纤理论提出了一种新型偏振分束器。它由两个相同长度的圆形硅线波导组成，其偏振分束器长度为1.9 mm，其偏振消光比大于20 dB。但此类偏振分束器对环境因素要求较高。

图3 光子晶体光纤偏振分束器结构示意图

硅脊型纳米线光波导偏振分束器

浙江大学戴道锌教授等人对硅脊型纳米线光波导偏振分束器进行了相关研究：对于硅纳米线光波导而言，由于硅纳米线光波导的高折射率差及其亚微米横截面尺寸, 其双折射效应非常显著，利用其高双折射效应有助实现基于倏逝波耦合的偏振分束器。

硅脊型纳米线光波导偏振分束器主要利用硅纳米线在外部介质中的倏逝场耦合，基于硅纳米线的高双折射效应来实现，设计优化方便，尺寸小、损耗小。但此类偏振分束器也存在不足之处，如仅能工作在固定波长，工作带宽较窄。

图4 硅脊型纳米线光波导偏振分束器结构图

可见，现在常用的偏振分束器主要的问题是：制作工艺较为复杂，成本较高，对工作环境有一定要求，体积较大且难以实现低插入损耗和较高消光比。这一系列的问题限制着偏振分束器的应用和发展。

微纳光纤偏振分束器

近年来，随着微纳米技术的进步，光学系统逐渐朝着微型化和集成化的趋势发展，特别在空间体积受限的情况下，光学器件和光学系统的微型化具有十分重大的意义。然而，由于材料和制备工艺的限制，传统的偏振分束器体积较大，不适合光学系统的微型集成，且许多偏振分束器严格来说并非全光纤制作，在光纤通信系统中兼容性差，制作工艺却相当复杂。

相较普通光纤，微纳光纤具有强消逝场、强的光约束能力、相对较低的损耗和很好的柔韧性等优点。利用微纳光纤强倏逝场特性可较为简单地实现偏振分束，且成本相对较低。

南京邮电大学张祖兴教授团队通过熔融拉锥技术制作了微纳光纤偏振分束器，如图5所示。制作过程中，需要确保两根微纳光纤的直径和梯度区域完全相同，从而最大程度地提高耦合效率。当拉锥到一定程度时，通过偏振控制器（Polarization Controller,PC）在线性偏振光进入制成的器件之前调节其偏振方向，同时实时监控输出光谱的变化，观察对应的极化消光比，进一步手动精确控制拉锥长度，以便获得最佳偏振分束效果。

图5 微纳光纤偏振分束器实验装置图

用这种方式制备偏振分束器可针对特定的波长来制作适用于不同波段的微纳光纤偏振分束器。如图6所示，应用于3个不同波长的器件消光比均可超过15 dB，输出光已接近线偏振光。与传统偏振分束器相比，在适当的微纳光纤直径和耦合长度的条件下制造的由两条平行耦合的微纳光纤组成的全光纤偏振分束器具有以下优点：

• 制造简单，尺寸紧凑；

• 可变的偏振消光比和工作带宽；

• 具有高偏振对比度，性能良好；

• 全光纤制作，损耗较低。

图6 (a)-(c)微纳光纤偏振分束器在1 μm，1.5 μm和2 μm波段不同偏振状态下的透射光谱，(d)-(f)分别对应于其消光比(PER)光谱。(a)-(c)中的插图是相应的显微照片

采用非线性偏振旋转技术（NPE）实现锁模是常见的被动锁模技术之一。原则上，任何具有适当极化消光比的微纳光纤偏振分束器均可代替传统的偏振分束器用于光纤激光器中实现被动锁模，产生稳定的超短脉冲，图8显示了将该偏振分束器应用于不同波段锁模激光器后输出光谱特性。由于该类偏振分束器是一种宽带器件，在某些一般偏振分束器不能满足的特殊波长，也能实现偏振分束器的效果。因此，微纳光纤偏振分束器能够在被动锁模光纤激光器等方面有着广泛的应用。

图7 基于微纳光纤偏振分束器的锁模激光器

图8 不同波长锁模激光器的光谱特性：（a）1 μm；（b）1.5 μm；（c）2 μm；

结束语

近年来，通信技术不断发展，随着未来通信传输速率要求越来越高，全光纤系统的应用范围也会越来越广泛，对于光学器件高性能化、微型化和集成化的要求也越来越高。新型偏振分束器层出不穷，体积较大的传统体光学偏振分束器将会逐渐被淘汰。

本文主要介绍的微纳光纤偏振分束器具有可变的极化消光比和工作带宽、简单的制造和紧凑的尺寸等优点，可进一步缩小器件体积，同时作为宽带器件，在某些特殊波长范围内也具有良好的偏振分束性能，能更好地应用于全光纤锁模激光器和其它全光纤系统中。

同时也要考虑到其不足之处，如微纳光纤较为脆弱，因此对微纳光纤偏振分束器的封装技术要求较高，未来还需要不断探索，进一步提高器件的稳定性，同时还应充分考虑在光纤系统中实际应用的需要，尽量发挥自身优势，扬长避短。

作者简介

张祖兴，南京邮电大学教授，现任南京邮电大学先进光子技术研究所所长。曾任日本东北大学电气通信研究所GCOE研究员，土耳其Bilkent大学超快实验室研究员，英国阿斯顿大学光子技术研究所玛丽居里学者等。

周夏冰,学生，南京邮电大学先进光子技术研究所

参考文献

[1] Xiabing Zhou, Mingwei Qiu, Yuhao Qian, Mengmeng Chen, Zuxing Zhang; Lin Zhang, Microfiber-based polarization beam splitter and its application for passively mode-locked all-fiber laser, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2021, 27(2): 0900206.

[2] Xiabing Zhou, Qian Yang, Zhiqiang Wang, Zuxing Zhang, Results in Physics, 2020, 18: 103261.

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