PSR 的背景和作用

偏振分束旋转器（PSR）是解决绝缘衬底上硅（SOI）平台光波导器件偏振敏感的关键性器件，解决了偏振模色散（PMD）导致的脉冲展宽和码间干扰。偏振分束旋转器（Polarization Beam Splitter Rotator, PBSR）是一种集成了偏振分束和偏振旋转功能的光学器件，主要用于控制光束的偏振态，实现特定偏振光的分离或转换。

1. 核心功能

  • 偏振分束（PBS功能）：将入射光按偏振方向分成两束正交的线偏振光（如P光和S光），分别沿不同路径输出。
  • 偏振旋转（旋转功能）：将其中一束光的偏振方向旋转（如90°），使得两束输出光具有相同的偏振态（例如均变为P光）。

2. 工作原理

  • 分束机制：通常基于双折射晶体（如方解石）或介质膜偏振分束立方体，利用不同偏振光折射率差异实现分束。
  • 旋转机制：通过半波片（Half-Wave Plate）或液晶相位延迟器对选定光束的偏振方向进行旋转。

3. 典型结构

  • 集成设计：在传统偏振分束器（PBS）的输出端口之一加入半波片，使一束光的偏振方向被旋转，而另一束保持不变。
  • 示例：
    • 输入光：非偏振光或任意偏振光。
    • 分束后：P光直接透过，S光被反射。
    • 旋转后：S光经半波片旋转90°变为P光，最终两束输出均为P光。

4. 应用场景

  • 光纤通信：在相干接收系统中统一接收端光的偏振态，避免偏振相关信号衰落。
  • 量子光学：操控量子比特的偏振态，用于量子态制备或测量。
  • 激光加工：多光束合成时保持偏振一致性，提高加工效率。
  • 显示技术：在AR/VR中调节偏振光方向，减少串扰。

5. 优势与挑战

  • 优势：
    • 紧凑型设计，减少系统复杂度。
    • 提高偏振相关系统的稳定性（如避免偏振模色散）。
  • 挑战：
    • 旋转角度精度受波长和温度影响，需校准。
    • 高功率激光下可能引入波片的热致双折射效应。

6. 选型注意事项

  • 波长范围：需匹配器件的工作波长（如 telecom C-band 1550 nm）。
  • 损伤阈值：高功率应用需选择镀膜或晶体型PBSR。
  • 插入损耗：通常低于0.5 dB（分束）和0.2 dB（旋转）。

PSR 的 VPI 实现

本 PSR 链路仿真以行为模型为基础，而非物理模型。PSR 为一个三端口模型，但本质可以看作一个理想三端口偏振分束+四端口 s4p 模型。该 s4p 模型用来描述 TE、TM 之间的转化。

VPI 原理图结构如下：

PSR

圈内为 PSR 等效行为模型，输入光经由 PBS 分为上路 TE，下路 TM。TE 绝大部分优化走下路，TM 绝大部分优化走上路。走上路的 TM 经过偏振旋转转化为 TE，与上路残留的少部分 TE 汇合。走下路大部分 TE 与残留的 TM 汇合。最终该模型输出两路 TE，但存在时延，对于几千米光纤估算时延一两个皮秒，可以忽略不计。

Result

从结果中可以看到上下两路的输出波形和偏振状态。该偏振状态通过斯托克斯矢量来描述，s1 为1，s2、s3 为0时，偏振为 TE。