近日，我室硕士研究生伍启鹏（第一作者），高一骁特聘副研究员（通讯作者）在Optics Express （IF = 3.3）期刊发表了题为“Reconfigurable on-chip polarizers enabled by phase-change-material-mediated loss engineering”的论文。文章链接：https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-34-10-17923

       集成硅光子学已成为推动下一代光通信、光计算、量子信息处理及传感应用发展的关键平台。其中主动片上偏振控制对于集成光子系统至关重要。然而，传统的吸收型偏振器（如加载金属或石墨烯）通常面临消光比与插入损耗相互制约的物理瓶颈。在此，本研究提出了一类基于非易失性相变材料（PCM）辅助的对称三波导定向耦合器可重构片上偏振器。通过受控的相位失配利用TE和TM模式截然不同的耦合行为，可以独立设计不同偏振的传播路径和衰减。具体而言，TE通偏振器通过在侧波导上使用Ge2Sb2Te5(GST)作为相位匹配和损耗控制介质来实现；而TM通偏振器则通过在中心波导中沉积GST薄膜来实现，该部分能以高消光比选择性地抑制TE模式。

图1. 可重构TE通偏振器：(a) 基于TW-DC并在侧波导上集成GST的TE通偏振器示意图；(b) TE通偏振器工作机理的示意图；（c）GST为非晶态与晶态时，TE和TM模式光在1500~1600 nm范围内的透射光谱；（d）GST为非晶态与晶态时，TE和TM模式光在1550 nm波长下的归一化传输电场分布图。可重构TM通偏振器：(e) 基于TW-DC结构的可重构TM波片偏振器示意图，其中GST集成于中央波导上；(f) TM通偏振器工作机理的示意图；（g）GST为非晶态与晶态时，TE和TM模式光在1500~1600 nm范围内的透射光谱；（h）GST为非晶态与晶态时，TE和TM模式光在1550 nm波长下的归一化传输电场分布图

       如图1(a)-(d)所示，在TE通偏振器的设计中，相变材料GST被集成于三波导定向耦合器的侧波导上。其工作原理在于：当GST处于非晶态时，由于波导间的相位失配，TE和TM模式光均在中心无损波导中直通传输，从而实现了极低的插入损耗。仿真结果显示，TE通偏振器的核心耦合区长度仅为13 μm，在1550 nm波长处的插入损耗低至0.016 dB。而当GST切换为晶态时，通过波导宽度微扰调节相位匹配，非目标偏振态（TM模）被有效引导至侧波导并被GST吸收，从而在输出端获得高纯度的TE模式光。

       如图1(e)-(h)所示，在TM通偏振器的设计中，采用了将GST直接沉积在中心波导上，并在中间加入SiO2间隔层，实现了硅波导向高损耗结晶GST层的高效能量转移，显著增强了结晶态下的吸收性能。其工作原理在于：TM模式在中心波导与侧向波导之间形成强耦合，而TE模式由于波导宽度扰动仍保持相位失配。当GST处于非晶态时，TE模式主要局限于中心波导内，以低损耗在器件中传播；而TM模式因强耦合作用，会将能量传递至侧向波导，并在约两个拍长后发生回耦合。当GST切换至晶态时，由于相位失配导致TE模式仍局限于中心波导，会受到高损耗GST层的强烈吸收；相比之下，TM模式则与侧向波导耦合，从而基本避免与损耗性材料发生相互作用。在晶态下，该结构能以极高的选择性抑制TE模式的传输，而在非晶态下保持TM模式的低损耗通过，其在1550 nm处的插入损耗仅为0.44 dB。

       综上所述，本研究提出并数值模拟了一类基于GST辅助的三波导耦合器，在220-nm SOI平台上实现了紧凑且可重构的片上偏振器。通过调控相位失配实现TE和TM模式的不同耦合行为，并结合不同空间的GST负载设计，在单一架构上实现了偏振选择性路由与受控吸收的结合;仿真结果显示，TE通偏振器在1550 nm处实现了28 dB的消光比和0.016 dB的极低插入损耗，而TM通偏振器达到24.7 dB消光比和0.44 dB插入损耗，且两者在100-nm带宽内均保持消光比大于20 dB。这种路由辅助损耗工程方案有效缓解了消光比与损耗之间的传统权衡难题，利用GST的非易失性，为高密度光子集成电路提供了一种宽带、微米级且零静态功耗的可编程偏振管理方案。