¿Qué es un divisor de haz polarizador (PBS)? ——Definición y análisis técnico

En los sistemas ópticos modernos, el control preciso de las señales ópticas es la piedra angular del progreso tecnológico. Como componente pasivo central, la función de un divisor de polarización es separar y combinar con precisión la trayectoria óptica según el estado de polarización de la luz. Puede separar eficientemente un haz de luz con cualquier estado de polarización en dos haces de luz linealmente polarizados con direcciones de vibración mutuamente perpendiculares para su salida, y es un componente esencial para construir trayectorias ópticas complejas.

1. Principio de funcionamiento básico

El divisor de haz de polarización es un dispositivo óptico que puede descomponer la luz incidente en dos haces de luz linealmente polarizados con direcciones de polarización ortogonales. Su estructura central generalmente está compuesta por prismas, películas dieléctricas multicapa o cristales fotónicos, que logran la separación de polarización a través de interfaces físicas o microestructuras periódicas a nanoescala. Según el principio de funcionamiento, se puede dividir en dos categorías:

1. PBS de tipo prisma: Está compuesto por dos prismas de alto índice de refracción (como vidrio N-BK7, con índice de refracción ≥ 1.6) unidos mediante adhesivo, y la superficie unida está recubierta con una película multicapa birrefringente. Cuando la luz incide en un ángulo específico, la luz S-polarizada (luz polarizada perpendicular a la superficie de incidencia) se refleja, mientras que la luz P-polarizada (luz polarizada paralela a la superficie de incidencia) se transmite, logrando así la división del haz.

2. PBS de tipo rejilla: utiliza una estructura de rejilla bidimensional (como un arreglo periódico cuadrado de columnas nanométricas), aprovechando los efectos de difracción para desviar la luz polarizada TE (dirección del campo eléctrico paralela a la ranura de la rejilla) y la luz polarizada TM (dirección del campo eléctrico perpendicular a la ranura de la rejilla) en diferentes direcciones espaciales. En la tecnología más reciente anunciada en 2024, el período de la rejilla puede ser tan bajo como 200 nm, la relación de extinción puede alcanzar 40 dB y la eficiencia de división del haz puede superar el 99%.

2. El principio de división del divisor de haz polarizador

El principio central de un divisor de haz polarizador se remonta a la ley de Brewster del siglo XIX: cuando la luz incide en un ángulo específico (ángulo de Brewster), la luz reflejada es puramente luz polarizada S y la luz transmitida es parcialmente luz polarizada P. Los PBS modernos logran una división eficiente del haz mediante las siguientes tecnologías:

1. Diseño de película dieléctrica multicapa: deposición alternada de materiales de alto índice de refracción (como TiO₂, n ≈ 2.4) y bajo índice de refracción (como SiO₂, n ≈ 1.46) en la superficie de unión del prisma para formar una capa de espesor óptico λ/4. Al optimizar el número y el grosor de las capas de película, la reflectancia de la luz S se acerca al 100% y la transmitancia de la luz P supera el 99%. Por ejemplo, un modelo específico de PBS tiene una relación de extinción (relación de potencia entre la luz S y la luz P) de 22 dB a una longitud de onda de 1550 nm.

2. Efecto de banda prohibida de cristal fotónico: En el PBS de tipo rejilla, la disposición periódica de nanohilos forma una banda prohibida fotónica, permitiendo que solo luz polarizada específica pase. Por ejemplo, el período d de una rejilla cuadrada y la longitud de onda λ de la luz incidente satisfacen la condición de difracción de luz TE: d · sin θ = m λ (m es un entero), mientras que la luz TM no puede difractarse debido a la obstrucción de la banda prohibida, logrando así la división del haz.

3. La diferencia entre un divisor de haz polarizador y un divisor de haz ordinario

Los divisores de haz ordinarios (como los divisores de haz en cubo) solo dividen el haz según la relación de energía, y el estado de polarización de la luz emitida es el mismo que el de la luz incidente; el PBS fuerza a la luz emitida a estar en un estado de polarización ortogonal mientras divide el haz. Por ejemplo:

1. Luz de entrada: luz polarizada aleatoria (incluyendo componentes P/S)

2. Salida del divisor de haz ordinario: La relación de potencia de los dos haces es 50:50, y el estado de polarización es el mismo que el de la luz de entrada

3. Salida PBS: Un haz es luz P pura y el otro es luz S pura. La relación de potencia depende de la proporción de componentes P/S en la luz de entrada.

4、 Relatividad, diseño de alta conversación transversal y controlabilidad de potencia de luz P / luz S en divisor de haz polarizante (PBS)

La función central de un divisor de haz polarizante se basa en la definición geométrica de la relatividad entre la luz P y la luz S. Las propiedades de la luz P (campo eléctrico paralelo al plano incidente) y la luz S (campo eléctrico perpendicular al plano incidente) son completamente dependientes del plano incidente y tienen diferentes significados a medida que cambia el ángulo incidente. Por ejemplo, bajo el ángulo de Brewster, la luz reflejada es luz S pura y la luz transmitida es luz P pura, que se usa ampliamente en láseres y separación de polarización.

Si es necesario crear artificialmente PBS de alta difusión transversal (como para pruebas de límite del sistema), se puede lograr mediante "optimización inversa": en primer lugar, introducir deliberadamente errores de grosor o inhomogenidad del material en películas dieléctricas de múltiples capas para interrumpir las condiciones de interferencia ideales; El segundo es reducir intencionalmente la pureza de la separación de polarización causando un desajuste en el período de rejilla en el tipo de rejilla PBS.

La respuesta a si la potencia de los dos haces de luz después de la división es altamente controlable. Para una entrada polarizada linealmente ideal (P pura o S pura), una trayectoria tiene una salida mientras que la otra teóricamente no tiene salida, lo que resulta en una potencia completamente desigual; Para la entrada de luz natural (polarización aleatoria), las dos potencias de salida son básicamente iguales; Más comúnmente, mediante el preajusto del estado de polarización (relación P:S) de la luz de entrada a través de un controlador de polarización, la relación de distribución de potencia de las dos luces de salida puede controlarse de forma precisa y continua, logrando cualquier relación entre 0:1 y 1:0. Por lo tanto, PBS no es solo un divisor de haz, sino también una herramienta flexible para la gestión del estado de polarización y la asignación de energía.

5、La función de un divisor de haz polarizante

El valor central de un divisor de haz polarizante radica en su capacidad para manipular con precisión el estado de polarización de la luz, logrando así funciones clave en múltiples campos:

1. Expansión de la comunicación de fibra óptica: mediante el uso de la tecnología de multiplexación de polarización (PDM), dos haces de luz polarizados ortogonales se acoplan a la misma transmisión de fibra óptica, duplicando la capacidad del canal. Por ejemplo, en un módulo óptico de 400G, PBS combina dos haces de luz polarizados de 200G P/S para lograr una transmisión de fibra única de 400G.

2. Optimización láser: En láseres de fibra, PBS sirve como un multiplexador de bomba para acoplar la salida de luz polarizada ortogonal de dos fibras de mantenimiento de polarización al medio de ganancia, reduciendo la sensibilidad de polarización y mejorando la estabilidad de potencia de salida. Un determinado modelo de PBS puede comprimir fluctuaciones de potencia de ± 5% a ± 0,5% a una longitud de onda de 1064 nm.

3. Procesamiento de información cuántica: En la distribución de claves cuánticas (QKD), PBS se utiliza para separar los estados de polarización de pares de fotones enredados y lograr una medición precisa de los estados cuánticos. Por ejemplo, en el protocolo BB84, PBS divide fotones en bases de polarización H/V (horizontal/vertical) para la codificación clave.

6、Los indicadores principales de PBS incluyen:

Relación de extinción: El parámetro más crítico para medir la pureza de la separación del dispositivo, en referencia a la relación de potencia de la luz polarizada objetivo a la luz polarizada no objetivo (crosstalk) en el puerto de salida, expresada en decibelos. Cuanto mayor sea la relación de extinción, mejor será el efecto de separación de polarización.

Transmisión: El porcentaje de transmisión de luz polarizada requerida.

Reflectancia: El porcentaje de luz polarizada no deseada reflejada.

Rango de longitud de onda: El rango efectivo de longitud de onda de funcionamiento de PBS.

Ángulo de incidente: El ángulo en el que un haz de luz se dirige a un divisor de haz polarizante (PBS). Esto afectará al rendimiento del dispositivo.

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