在当今科技领域的探索中，光学技术一直处于前沿，不断推动着我们的认知界限。光是一种电磁波，具有振幅、频率和偏振等属性。偏振状态描述了光波中电场的振荡方向，偏振分束与旋转技术通过控制光的偏振状态，为光学通信、成像和传感领域带来了新的可能性。
例如，在通信领域，偏振分束器可以选择性地将光信号分离成不同偏振状态，然后再合并它们，以最大程度减少损耗，提高数据传输效率。在光学成像中，控制光波的偏振状态可以帮助消除反射和散射，从而提高图像质量和分辨率。在传感中，通过精确控制光波的偏振状态去检测目标物体的性质或位置，我们可以提高传感器的灵敏度和选择性。
同时，随着微纳技术的不断发展，硅基光子芯片已经成为光学控制的理想平台。这些芯片以微小的尺寸、高度可集成性和低成本著称。然而，目前的偏振控制方法存在一些局限性。传统的偏振光学元件通常较大、笨重且昂贵，不太适合集成到微型设备中。这就引入了片上集成偏振分束器和旋转器，它们是控制光信号传输和处理的不可或缺的组件。
然而，在集成光子系统中使用分立的偏振操作元件存在一些限制，例如所需的占地面积和与芯片上光学电路的高精度对准需求。相反，可以将偏振操作功能集成到基于波导的平面光子电路中，利用模式选择性方向耦合器、多模干涉耦合器、偏振模式转换器、波导光栅等结构实现。但是这些器件通常需要特殊的制造步骤，并受到传统二维微结构化通过层叠微影和干法刻蚀所限制。
鉴于此，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院Christian Koos教授团队，提出了一种基于多光子光刻3D打印制作的片上偏振分束器和旋转器(如图1所示)。这种结构可以与模场适配器、微透镜通过光子线键合直接集成，实现光子集成电路芯片间的封装级高效连接，并完成偏振态控制。
相关成果以“Ultra-broadband polarisation beam splitters and rotators based on 3D-printed waveguides”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。
图1：在集成光学组件中的3D打印偏振分光器。图源：Light: Advanced Manufacturing 4, 22(2023).
在这些结构中，偏振分束是通过具有高纵横比截面的双折射聚合物波导组成的绝热Y分支来完成的，偏振旋转是利用沿传播方向扭曲的波导来实现的（如图2所示）。该结构通过具有高分辨率的多光子光刻技术在芯片-芯片和光纤-芯片接口上进行高效率制造，并可以直接纳入自由形式的芯片-芯片和光纤-芯片连接，即所谓的光子键合。在一系列的概念验证实验中，研究人员展示了在光纤表面的3D打印的单片结构，包括超宽带偏振分束器、偏振旋转器以及模场适配器。
图2：偏振分束器3D模型和其电场分布。图源：Light: Advanced Manufacturing 4, 22(2023).
该研究团队在双偏振数据传输实验中证明了该结构的实际可行性，该实验接收了80 GBaud的双偏振16态正交振幅调制（16QAM）数据流，提供了640 Gbit/s的总数据速率。与市场商用的光纤耦合偏振分束器相比，3D打印的偏振分束器没有降低可测量的光信噪比（OSNR）。
3D打印光学结构为集成光学中的偏振操作开辟了一条有吸引力的道路，并可以取代昂贵的分立微光学元件，从而以前所未有的紧凑性和可伸缩性为光学系统铺平了道路。随着硅基光子芯片技术的不断成熟，我们可以期待看到更多创新的光学应用，从更快速的通信到更高分辨率的成像和更精密的传感器。偏振分束与旋转技术将在这一领域发挥关键作用，为光学世界的未来铺平道路。（来源：先进制造微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2023.022
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