偏振分束器：一文带你了解是什么？从分光原理、作用、与普通分束器的区别、P光与S光的区别、价格详细解析

  偏振分束器（Polarizing Beam Splitter,PBS）的瞬间“分裂”，让一束以每秒万亿次速度穿梭的激光，变成一束光继续直行，另一束光垂直转向，两束光的偏振方向如同被精准切割的钻石，互成90度。这种看似简单的分光操作，实则是光通信扩容、量子计算纠错、激光加工提效的核心密码。四川88858cc永利集团将深度解析偏振分束器的技术本质、应用场景与市场现状，揭开这一光学元件的神秘面纱。

  一、偏振分束器是什么？——定义与结构拆解

  偏振分束器是一种能够将入射光分解为两束偏振方向正交的线偏振光的光学器件。其核心结构通常由棱镜、多层介质膜或光子晶体构成，通过物理界面或周期性微纳结构实现偏振分离。根据工作原理，可分为两大类：

  1、棱镜型PBS：由两个高折射率棱镜（如N-BK7玻璃，折射率≥1.6）胶合而成，胶合面镀有双折射多层膜。当光以特定角度入射时，S偏振光（垂直于入射面的偏振光）被反射，P偏振光（平行于入射面的偏振光）透射，实现分束。

  2、光栅型PBS：采用二维光栅结构（如正方形周期排列的纳米柱），利用衍射效应使TE偏振光（电场方向平行于光栅槽）与TM偏振光（电场方向垂直于光栅槽）分别衍射至不同空间方向。2024年公布的最新技术中，光栅周期可低至200nm，消光比达40dB，分束效率突破99%。

  二、偏振分束器的分光原理：从布儒斯特定律到光子晶体操控

  偏振分束器的核心原理可追溯至19世纪的布儒斯特定律：当光以特定角度（布儒斯特角）入射时，反射光为纯S偏振光，透射光为部分P偏振光。现代PBS通过以下技术实现高效分束：

  1、多层介质膜设计：在棱镜胶合面交替沉积高折射率（如TiO₂，n≈2.4）与低折射率（如SiO₂，n≈1.46）材料，形成λ/4光学厚度层。通过优化膜层数量与厚度，使S光反射率接近100%，P光透射率＞99%。例如，某型号PBS在1550nm波长下，消光比（S光与P光功率比）达22dB。

  2、光子晶体带隙效应：在光栅型PBS中，纳米柱的周期性排列形成光子带隙，仅允许特定偏振光通过。例如，正方形光栅的周期d与入射光波长λ满足TE光衍射条件：d·sinθ=mλ（m为整数），而TM光因带隙阻挡无法衍射，从而实现分束。

  三、偏振分束器的作用：从通信扩容到量子纠错的“多面手”

  偏振分束器的核心价值在于其能精准操控光的偏振态，从而在多个领域实现关键功能：

  1、光纤通信扩容：通过偏振复用（PDM）技术，将两束正交偏振光耦合至同一光纤传输，使信道容量翻倍。例如，在400G光模块中，PBS将两束200G的P/S偏振光合并，实现单纤400G传输。

  2、激光器优化：在光纤激光器中，PBS作为泵浦合波器，将两束保偏光纤输出的正交偏振光耦合至增益介质，降低偏振敏感度，提升输出功率稳定性。某型号PBS在1064nm波长下，可将功率波动从±5%压缩至±0.5%。

  3、量子信息处理：在量子密钥分发（QKD）中，PBS用于分离纠缠光子对的偏振态，实现量子态的精确测量。例如，BB84协议中，PBS将光子分为H/V（水平/垂直）偏振基，用于密钥编码。

  四、偏振分束器与普通分束器的区别：偏振态的“精准切割”

  普通分束器（如立方体分束器）仅按能量比例分割光束，出射光的偏振态与入射光相同；而PBS在分束的同时，强制出射光为正交偏振态。例如：

  1、输入光：随机偏振光（包含P/S分量）

  2、普通分束器输出：两束光功率比为50:50，偏振态与输入光相同

  3、PBS输出：一束为纯P光，另一束为纯S光，功率比取决于输入光中P/S分量的比例

  五、偏振分束器P光与S光的区别：几何定义的“相对性”

  P光（P-polarized）与S光（S-polarized）的定义依赖于入射平面（由入射光线与界面法线构成）：

  1、P光：电场振动方向平行于入射平面。例如，光以45°角入射至玻璃表面时，若电场方向在入射平面内，则为P光。

  2、S光：电场振动方向垂直于入射平面。同一入射条件下，若电场方向垂直于入射平面，则为S光。

  关键特性：

  相对性：P/S属性随入射角变化。例如，光从空气入射至玻璃时，若入射角为布儒斯特角（约56.6°），反射光为纯S光，透射光为纯P光；但若入射角变为0°，则无P/S区分。

  应用场景：P光在布儒斯特角下反射率为0，常用于激光腔镜设计以减少损耗；S光反射率高，用于偏振分离。

  六、偏振分束器如何做成高串扰？——设计中的“反向优化”

  串扰（Crosstalk）指PBS输出端中非目标偏振光的功率占比。高串扰PBS（如需模拟信道干扰或测试系统极限）可通过以下方式实现：

  1、膜层缺陷设计：在多层介质膜中引入厚度误差或材料不均匀性，使S光透射率或P光反射率升高。例如，将某层TiO₂厚度从λ/4偏差至0.3λ/4，可使S光透射率从＜0.1%升至5%。

  2、光栅周期失配：在光栅型PBS中，将纳米柱周期d设计为非整数倍λ/sinθ，使TE/TM光的衍射效率失衡。例如，d=220nm（λ=1550nm，θ=45°）时，TM光衍射效率可从99%降至80%。

  七、偏振分束器分开的两路功率相等吗？——功率分配的“可控性”

  PBS分束后的两路光功率是否相等，取决于输入光的偏振态与PBS的设计目标：

  1、理想输入（纯P或纯S光）：若输入光为纯P光，则P光透射，S光端口无输出；若输入光为纯S光，则S光反射，P光端口无输出。此时两路功率比为∞:0或0:∞。

  2、随机偏振输入：若输入光为自然光（P/S分量各占50%），则两路输出光功率相等（忽略插入损耗）。例如，某型号PBS在1550nm下，插入损耗＜0.5dB，两路输出功率差＜0.1dB。

  3、偏振控制输入：通过调节输入光的偏振控制器（如波片），可精确控制两路输出功率比。例如，将输入光调整为P:S=3:1时，P光输出功率为S光的3倍。

  八、偏振分束器的价格：从实验室级到工业级的“阶梯定价”

  PBS的价格因波长范围、消光比、封装形式等因素差异显著。以百度爱采购平台中“88858cc永利集团”产品为例：

  1、1550nm保偏光纤PBS：输入端单模光纤，输出端保偏光纤，消光比＞20dB，价格约999元/个。

  2、1310/1550nm可调PBS：波长可调范围1310-1550nm，消光比＞18dB，价格约500元/个。

  高功率PBS：支持连续波功率＞10W，消光比＞25dB，价格约3000元/个。

  九、市场展望：国产替代的“加速跑”

  全球PBS市场正以7.5%的年均复合增长率扩张，中国因5G建设与制造业升级成为主要增长极。2025年，国内企业如福晶科技、腾景科技已实现PBS规模化生产，产品性能达国际先进水平（消光比＞22dB，插入损耗＜0.3dB），市场占有率突破40%。未来，随着量子计算、6G通信等新兴领域的需求爆发，PBS将向更高消光比（＞50dB）、更宽波长范围（400-2000nm）和更小封装尺寸（＜1mm³）方向发展。

  结语

  偏振分束器，这一看似简单的光学元件，实则是光通信、量子技术、激光加工等领域的“隐形引擎”。从布儒斯特定律的古老智慧到光子晶体的现代魔法，PBS的技术演进史，正是人类对光操控能力不断突破的缩影。未来，随着国产替代的加速与新兴应用的拓展，PBS必将迎来更广阔的舞台。