硅基集成光波导具有很高的折射率对比度, 能将光场限制在纳米尺度, 是制备结构紧凑、高效的纳米光子器件的关键。但是, 高折射率对比度也会引起波导双折射效应。因此, 几乎所有纳米光子器件都是偏振相关的。偏振分束器是偏振分集光子集成电路中克服硅纳米器件强偏振依赖性的重要组成部分, 在片上相干通信、传感与环境检测等领域具有广阔的应用前景。目前报道的基于亚波长光栅波导结构的偏振分束器, 工作带宽在200nm以上, 消光比也超过了20dB。文章简述了各种类型偏振分束器的工作原理, 对其尺寸、消光比、带宽等方面的性能进行了比较, 分析了各类偏振分束器的优劣势, 最后总结了其主要应用场景并展望了未来发展方向。

基于Al_0.9Ga_0.1As/Al₂O₃亚波长光栅设计了一种高性能偏振分束器。该偏振分束器由Al_0.9Ga_0.1As和Al₂O₃交替形成，制备简单、结构稳定且易于集成。采用严格耦合波分析方法对光栅反射率和占空比、周期的变化关系进行了分析，通过选取合适的光栅参数实现光栅结构对横电（TE）、横磁（TM）偏振光不同的衍射特性，进而实现了偏振分束功能。仿真和计算结果表明，在80 nm（800~880 nm）宽光谱范围内，该光栅偏振分束器对TE偏振光的反射率大于94%，对TM偏振光的透射率大于90%，且偏振消光比大于10 dB，最高可达41.37 dB。此外，还研究了光栅参数变化和入射角度偏转对偏振分束器性能的影响。结果表明，该偏振分束器具有良好的工艺容差，对垂直入射有左右各偏转4°的容忍性，有效解决了传统偏振分束器难以集成和制备工艺复杂的问题，可与GaAs基器件集成后实现对入射光束的调控。

设计了一种基于二维光子晶体自准直效应和光子禁带特性的新型紧凑型偏振分束器，器件尺寸为9 μm×9 μm，利用光子晶体的自准直效应实现TE偏振光和TM偏振光在自准直结构中的自准直传播，基于光子禁带特性实现TE偏振和TM偏振的正交分离。对于插入的偏振分束结构的空气孔排数为5时，1 550 nm处的TE偏振光的透过率为95.4%，对应的偏振消光比为23 dB，TM偏振光的透过率为88.5%，对应的偏振消光比为37 dB。对于覆盖100 nm带宽的TE和TM偏振光，TE偏振消光比和TM偏振消光比分别高于18 dB和30 dB。与以往的偏振分束器相比，结构更简单，尺寸更小，偏振消光比更高，更好地满足现代光通信、光集成系统的需求。

针对验证光半波损失问题，文章提出了一种验证光半波损失的方案并进行了详细的理论推导和实验验证。该方案采用琼斯矩阵进行计算，分析了光场量子态的变化，计算了光在通过两种Sagnac干涉环后的出射情况，进而得到相位的π变化方案。该方案实验装置借助了由X型耦合器组成的Sagnac干涉环和附加偏振分束器与法拉第旋转镜组成的改进型Sagnac干涉环。实验结果表明，该方案结构简单，现象结果明显，得到的干涉对比度均达99%以上。

偏振分束器是在光传感和集成光学等领域中非常重要的光学元器件, 太赫兹波段被认为是未来大容量无线通信的载体。而双芯空芯反谐振光纤结构设计更加多变, 对包层结构没有严格要求, 能实现较高的性能以满足人们更多样化的需求, 以双芯空芯反谐振光纤为基础设计适用于太赫兹波段的偏振分束器越来越值得深入研究。提出一种以环烯烃聚合物为基底材料的双芯空芯反谐振光纤, 通过改变光纤结构参数进一步分析调整, 并在此基础上进行了偏振分束器的设计和优化, 其结构参数为: 内包层管壁厚为90 μm, 内包层管外半径为335 μm, 外管内半径为2 000 μm, 外管外半径为2 500 μm。最后得到长度为119 cm, 消光比为-24.831 3 dB, 带宽约为2.2 μm的太赫兹波段偏振分束器。

为了得到短长度、高消光比的偏振分束器, 设计了一种基质为二氧化硅的六边形双芯光子晶体光纤(PCF)偏振分束器, 利用全矢量有限元法和模式耦合理论对偏振分束器的耦合长度、耦合长度比、消光比和带宽进行了数值分析。研究结果表明: 在波长1550 nm处, 偏振分束器的长度为103.05 μm, 消光比高达117.78 dB, 消光比大于20 dB的带宽为100 nm, 覆盖了整个C波段以及S和L的大部分波段。