高效近紅外偏振控制：氮化矽晶片的光子整合關鍵技術

近紅外量子應用中的偏振挑戰

氮化矽（SiN）因具低損耗與寬頻透光特性，在可見光至中紅外應用中備受重視，尤其適用於量子光源如 InAsP 量子點（發光波段約 1 μm）。不過，若要實現精確的單光子操控，需具備高效偏振控制技術，而這在 SiN 平台上特別具挑戰性，因其對短波長偏振態的控制機制尚不成熟。

設計原理：PSR 結構中的旋轉與分離功能

本研究設計的偏振分離-旋轉器（polarization splitter-rotator, PSR）針對 910 至 980 奈米波段，具備兩階段結構：偏振旋轉與模式分離。

1. 偏振旋轉（Rotation）

   利用一段錐形波導將入射的 TM0 模式（橫向磁場）轉換為 TE1 模式（第一階橫向電場），透過移除上覆蓋層破壞對稱性，實現 TM-TE 模式混合與有效轉換。

2. 模式分離（Splitting）

   將旋轉後的 TE1 模式耦合至鄰近波導中的 TE0 模式，條件是兩波導寬度調整後，達到有效折射率匹配。原始 TE0 模式因不匹配則繼續前進至原輸出端。

模擬與製程驗證

採用有限差分與本徵模展開模擬工具（FDE、EME）進行波導寬度、錐形長度、耦合間距等參數最佳化設計，確保高轉換效率與低損耗。

實驗結果：高抑制比與低插入損耗

實測結果顯示：

• TE 模式入射：在 970 nm 時達到 43 dB 的偏振抑制比（PER），全波段維持在 30 dB 以上，插入損耗低於 1 dB。

• TM 模式入射：最高 PER 達 31 dB，最低保持 24 dB，同樣維持 1 dB 以下的插入損耗。

此結果證實 PSR 裝置可在量子應用波段內，實現高效偏振分離與轉換。

結論

本文展示的 SiN PSR 裝置，實現了針對 950 nm 波段的高效偏振控制技術，兼具低損耗與高抑制比，為氮化矽平台在近紅外量子與精密光學應用上的整合與擴展提供了技術基礎。

參考資料

[1]    Z. Mokeddem et al., "Broadband and Efficient Polarization Splitter-Rotator in the Silicon Nitride Platform for the 0.95 µm Wavelength Band," Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France; Advanced Photonics and Electronics Research Centre, National Research Council Canada, Ottawa, Canada; Digital Technologies Research Centre, National Research Council Canada, Ottawa, Canada, 2024, pp. 1-6, doi: 979-8-3503-9404-7/24/$31.00 ©2024 IEEE.