偏振射束分離器

用組合偏振光束分離器代替傳統的偏振片，使濾光器的出射成為振動彼此垂直，光譜彼此互補的兩束偏振光，即產生兩個通道。當這種級連續使用時能產生多通道雙折射濾光器，當使各通道透過帶連續分布於譜線附近光譜區時，能產生新型的視頻光譜儀。

基本介紹

• 中文名：偏振射束分離器
• 外文名：polarizing beam splitter

背景技術

相干光通信系統由於具有很多其它系統所沒有的優點而越來越受到人們的重視。

相干光

首先，當本機振盪器功率足夠高時，相干光通信系統只受限於被接收光信號的量子噪聲，因而具有更高的靈敏度。

其次，相干光通信系統增加了接收機的選擇性。

另外，相干光通信系統可以便用相移鍵控和頻移鍵控的恆定包絡調製方案，前者要求採用外調製器，可減小受激布里淵散射的影響，後者可由直接調製雷射光源來實現，能顯著抑制啁啾效應。

然而相干接收機需要使本機振盪器的偏振狀態和被接收光信號的偏振狀態相匹配，實際上，只有本機振盪器的偏振狀態是可以控制的，接收信號的偏振狀態是不同於在發射機端注入到光纖中的信號的偏振狀態，而且隨環境、溫度和應力的改變而改變，這些變化的時間常數範圍，根據環境條件擾動的程度和變化速率可以從幾秒到幾小時。這種現象稱為光纖的雙折射。它起因於單模光纖所支持圃兩個相互正交的偏振模式的傳播常數不同，並導致兩個偏振狀態之間的功率交換。反過來這又造成沿光纖傳播的光波的偏振狀態的隨機起伏。

偏振光

偏振是光束的重要特性之一。偏振光是光波的光矢量的方向不變，只是其大小隨相位變化的光。

偏振

光的偏振現象與各向異性晶體有著密切聯繫：一束非偏振光入射到各向異性晶體中，一般地將分解為兩束偏振光(雙折射)：最為重要的偏振器件是由晶體製成的。

麥克斯韋的電磁理論，闡明了光波是一種橫波，即它的光矢量始終是與傳播方向垂直的。如果在光波中，光矢量的振動方向在傳播過程中(指在自由空間中傳播)保持不變，只是它的大小隨相位改變，這種光成為線偏振光。 線偏振光的光矢量與傳播方向組成的面就是線偏振光的振動面。線偏振光是偏振光的異種，此外還有圓偏振光和橢圓偏振光。

圓偏振光的特點是，在傳播過程中，它的光矢量大小不變，而方向繞傳播軸均勻地轉動，端點的軌跡是一個圓。滿圓偏振光的光矢量的大小和方向在傳播過程中都有規律地變化，光矢量端點沿著一個橢圓軌跡轉動。

圓偏振光

偏振光可用於汽車車燈、攝像機鏡頭、LED液晶屏等，本文基於變換光學，利用光的偏振設計偏振分離器。常規的偏振分離器有光子晶體偏振分離器和Kwon利用光學從常規的相位變換方法出發設計的偏振分離器。

原理介紹

偏振光束分離器

早在1947年由Banning發明了一種偏振光束分離器(簡稱偏光器)，利用Brewster角反射原理，選擇多層膜膜層，當層數足夠多時，反射和透射的光束差不多由交叉的線偏振光組成，此後，進行了一系列研究，改進了全色性能、視場、透過率及材科穩定性等。

偏光器

目前這類偏光器的偏振度一股為99%以上，好的可達99.5%，視場可用於焦比8：1的會聚光中，工作波長範圍可達 左右，膜層數一般為8—10層，光的吸收一般小於10%，優質的可小於3%，透射性能比偏振片要好，偏振片一般吸收15%左右。

組合偏振光束分離器(簡稱組偏器)

在傳統的雙折射漏光器中使用偏振片，它只讓軸向線偏振光通過，而把垂直方向的光吸收轉化為有害的熱量。與偏振片不同，偏光器利用兩束光，使光信息利用率提高一倍．但它雖巳發明近四十年卻從未有濾光器使用過它。

偏振片

主要因為：偏振度只有99%，達不到濾光器所要求的99.9%；體積大，價格稍高，所以在雙折射濾光器的使用中長期無人問津。為了克服它偏振度低的缺點，設計了組偏器。在其兩柬光之後附加兩片低偏振度的偏振片，其偏振度~90%，若偏光器偏振度為99%，則組偏器的偏振度為：

P=1一(1—0.99)×(1—0.9)=0.999。

就可滿足濾光器要求的99.9%．由於偏振度90%的偏振片透過可達95%以上，所以組偏器的透過率在85%至92%之間，比單獨的偏振片要稍高些。隨著多層膜技術的提高，可望達到更高的透過率。

常規的偏振分離器

近些年來，偏振被廣泛套用，偏振分束器就是其中光的偏振最典型的套用。偏振分離器可把電磁波相互正交的偏振分離器分開，並可以沿著不同的方向傳播，偏振分束器在光存儲、光通信、集成光路中具有重要的套用價值。

光子晶體偏振分離器

常規的偏振分離器一般基於晶體的雙折射特性或多層膜結構，尺寸一般在毫米量級，往往不適用於微細加工技術，並在高密度積體電路中缺乏競爭優勢。

雙折射

人們為了設計出超緊湊、高效的光子學器件，更多的關注一類人工設計的新型功能材料，即光子晶體。它是利用介電材料的周期性排列在電磁波波長的尺度範圍內可調控光波的流動。

近些年來，研究人員報導了集中光子晶體偏振分離器。此種偏振分離器是利用TE膜和TM 膜具有在光子晶體中不同的色散特性，使一種偏振模式處於負折射，另一種偏振模式處於正折射，或是利用光子禁帶，使其中一種偏振模式在禁帶被反射，而另一種偏振模式在導帶可實現TE模和TM 膜的分離。

這些研究往往關注的是偏振模式的分離結構，若套用到積體電路中，無疑會帶來器件效率降低、尺寸增大、製造複雜性增加等問題。Kim 等人提出了一種光子晶體和傳統介質波導相結合的複合結構，利用光子晶體結構和介質波導結構實現光的傳導和分束。

最近，光子晶體偏振分離器被研究人員提出，其特點是引入了線缺陷，可通過線缺陷波導使偏振模分離，但分束距離太小，或因為偏振模被原路反射所以只能使用透射的偏振模。光子晶體自身的特點，其複雜的能帶結構能顯現出各向異性和強色散性，並且帶來了很多有意思的現象，如超稜鏡效應、自準直效應、負折射效應等。

不需要引入線缺陷或非線性材料。基於自準直效應易實現低損耗傳輸、大角度偏折和分數比可任意的光分束。

光子晶體分束器是由兩部分構成：分束結構和自準直結構。且自準直結構與偏振沒有關係。自準直結構可用作虛擬波導，並能夠同時用來傳導TM 膜和TE膜，分束結構可用作偏振模式的分離。

利用變換光學設計偏振分離器

變換光學的快速發展，為設計電磁器件帶來了更大的靈活性。

變換光學

變換光學開始用於設計偏振分離器。在2008年，Kwon等人提出了利用變換光學設計偏振分離器。Kwon等人基於入射光的偏振狀態，即將入射光束射為TE波和TM 波的混合波，分別設定控制TE波和TM 波的材料參數，Kw on等人對偏振分離器的設計是從變換光學的相位變換直接方法出發。