作为光的基本属性之一，偏振态可用于计算、处理和存储光中的信息，在光学感知和操控中具有广泛的应用前景。偏振调制可利用光波的偏振态实现对不同系统中信息的编码和复用，在光通信、光学传感、量子纠缠等科学和工业领域中发挥了卓越的能力。然而，传统的偏振操控方式往往依赖于大体积的光学元件，如波片型和光纤环型偏振控制器等，因此快速驱动难度较大、控制性也较差。相比之下，在微尺度上实现偏振态的有效操控，形成具有紧凑性、轻量化和集成化偏振调控器件，对于进一步拓展各个领域的技术和演进具有重要意义。近年来，随着光子集成电路技术复杂性和成熟度的稳步提升，鉴于铌酸锂材料优越的电光性质，基于薄膜铌酸锂的电光调制器件逐渐成为研究热点。目前大多数基于薄膜铌酸锂的偏振调控装置都高度依赖于偏振复用器件的性能，需要对结构参数进行精心设计及对制备技术进行高精度把控，加剧了实际工艺制造的难度；此外，偏振复用器件长度普遍为数百微米，对实现紧凑型片上调控器件也是十分不利的。

本文展示了一种基于薄膜铌酸锂的偏振调制方案，该方案结合电光相位调制及二维光栅耦合器，避免了偏振复用器件的引入，极大地提升了微纳加工技术的工艺容差。基于此调制器，在实验上验证了偏振态的有效调制，任意输出态的偏振消光比均超过16 dB，最高可达到35 dB。此外，还精确实现了特定偏振态的输出控制及不同偏振态之间的有效切换。图1（a）和（b）分别为偏振调制器及二维光栅耦合器的结构示意图，图1（c）和（d）分别为二维光栅耦合器的侧面原理示意图及基于FDTD仿真的归一化场强度分布。图2（a）为实验装置原理图，图2（b）为偏振调制器的调制结果在庞加莱球上的描述。图2（c）和（d）分别阐述了各输出偏振态的斯托克斯参数及偏振消光比，偏振消光比最高可达35 dB。图3描述了采用直流电压驱动该调制器进行特定偏振态输出及切换的演示结果。这项工作为薄膜铌酸锂平台上的有效偏振调制提供了一种新的方案，展示了特定场景下实现超紧凑和小型化偏振调制系统的巨大潜力，如偏振编码量子密钥分发等。

图1（a）基于薄膜铌酸锂的偏振调制器结构示意图。（b）关于光轴对称的二维光栅耦合器，θ：耦合角度。（c）二维光栅耦合器截面图。（d）二维光栅在1550 nm波长处的归一化场强度分布。

图2 （a）电光偏振调制的实验装置图。输出偏振态的（b）庞加莱球和（c）斯托克斯参数表述。（d）偏振消光比随着外加电压的变化。

图3（a）右旋圆偏振态及（b）线偏振态的斯托克斯参数表述。两偏振态之间切换的（c）庞加莱球和（d）斯托克斯参数描述结果。

该成果发表在“Xuerui Sun, Yinan Wu, Chuanyi Lu, Hao Li, Xiaona Ye, Yuting Zhang, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, "Thin-film lithium niobate polarization modulator without polarization diversity," Optics Express 30 (17), 30592-30599 (2022)”。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.468533