作为具有巨大潜力的多功能光学材料，铌酸锂薄膜（LNTF）被认为是具有革命性的用于片上集成光学的光子集成平台。铌酸锂本身是一种具有各向异性的晶体，这使得很多基于LNTF的光学器件依赖于光的偏振态，除了偏振复用器之外，铌酸锂的电光效应、各种非线性效应都具有偏振敏感性，因此，铌酸锂片上的偏振调控在光子集成回路中至关重要。在LNTF上，通常有两种偏振调控器件，一种是偏振分束旋转器(polarization beam rotator, PBR)，一种是偏振分束器(polarization beam splitter, PBS)，这两种偏振调控器件有着不同的功能。近年来，有数篇基于LNTF的PBR的工作被发表在各大期刊上，然而少有基于LNTF的PBS被报道，并且在结构上有着很复杂的设计，加剧了工艺制造的难度。

本文展示了一种基于两次非对称定向耦合器结构的片上集成偏振分束器，器件有效长度仅为180 μm，在设计方面，利用了脊型波导独有的不同偏振模式的交叉耦合性能，将TE模式与TM模式分开到不同的输出端口。整个器件的制备仅需要一步电子束曝光光刻（EBL）和干法刻蚀（ICP）工艺，且具有较高的工艺容差。经过实验获得的TE以及TM消光比在1520-1570 nm的通讯波段内均分别超过了26 dB以及13 dB，插入损耗分别低于1.10 dB与1.24 dB。该PBS器件有望实现高效芯片偏振复用和偏振调控，这将成为未来LNTF上光子集成回路中不可或缺的组成部分。

下图中，图1（a）（b）（c）分别为偏振分束器的结构图、端面图以及俯视图；图2（a）、（b）为定向耦合器的耦合长度与耦合间距优化图，（c）为FDTD模拟光束传播图，（d）为模拟消光比图；图3（a）、（b）为SEM电镜表征结果，（c）为实验装置图；图4（a）为实验测得不同偏振的输出情况，（b）为实验测的消光比。

图1偏振分束器的（a）结构图（b）端面图（c）俯视图。

图2（a）耦合间距优化（b）最佳耦合间距与耦合效率（c）模拟光束传播（d）模拟TE、TM模式在不同端口的透过率光谱。

图3（a）器件SEM表征端面图（b）器件SEM表征俯视图（c）实验装置图。

图4（a）红外CCD测得的TE/TM输出模斑（b）实验测试消光比。

该成果发表在“Yinan Wu, Xuerui Sun, Hao Li, Chuanyi Lu, Yuting Zhang, Shijie Liu, Yuanlin Zheng, and Xianfeng Chen, Lithium niobate thin film polarization beam splitter based on asymmetric directional coupling, Journal of Lightwave Technology, 40(24), 7843-7847 (2022)”。

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9873932/authors