面向片上模式調(diào)控的亞波長(zhǎng)硅光子學(xué)研究

  片上模式調(diào)控是實(shí)現(xiàn)光子器件和集成回路的重要基礎(chǔ)。在過(guò)去的幾年里，通過(guò)引入特殊的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，亞波長(zhǎng)硅光子學(xué)及片上模式調(diào)控取得很大進(jìn)展。浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)近期在 PhotoniX 發(fā)表了題為“Subwavelength silicon photonics for on chip mode-manipulation”的論文。

  該文總結(jié)和分析了亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)及其在模式等效折射率、場(chǎng)分布、色散及雙折射等方面的有效調(diào)控及應(yīng)用，主要包括基模及高階模等兩方面。首先，該文深入分析了用于基模調(diào)控的亞波長(zhǎng)硅光器件，包括高性能偏振調(diào)控器件、用于芯片-光纖耦合的高效模式轉(zhuǎn)換器和超寬帶功率分配器等。其次，探討了用于高階模調(diào)控的亞波長(zhǎng)硅光器件，包括多模轉(zhuǎn)換器、多模波導(dǎo)彎曲和多模波導(dǎo)交叉等。最后，討論了亞波長(zhǎng)硅光子學(xué)及片上模式調(diào)控潛在的新興應(yīng)用。

  研究背景

  硅光技術(shù)具備超寬透明窗口、超高折射率差、CMOS兼容性等突出優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)取得了重大發(fā)展。為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，亟需發(fā)展具有更低損耗、更高消光比、更低串?dāng)_、更大帶寬及更大容差的高性能光子集成器件，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光子集成。亞波長(zhǎng)微納結(jié)構(gòu)的引入為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了有效途徑，被廣泛研究。目前，有兩種應(yīng)用較為廣泛的代表性亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，即：硅基混合等離激元納米波導(dǎo)(HPWG)和硅基亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)(SSWG)。

  其中，HPWG與SOI完全兼容，具有低折射率區(qū)光場(chǎng)顯著增強(qiáng)和超強(qiáng)偏振敏感等特性，且其損耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)金屬納米等離激元波導(dǎo);SSWG屬于全介質(zhì)波導(dǎo)，具有超低損耗等特點(diǎn)，且通過(guò)調(diào)整占空比可調(diào)控波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等效折射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)其導(dǎo)模模場(chǎng)、雙折射和模式色散等參數(shù)的靈活調(diào)控。因此，該論文著重聚焦于HPWG和SSWG等兩種典型亞波長(zhǎng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。

  技術(shù)進(jìn)展

  近年來(lái)，亞波長(zhǎng)光子結(jié)構(gòu)已被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建偏振器、偏振分束器、偏振旋轉(zhuǎn)器和偏振分離器旋轉(zhuǎn)器等高性能硅上偏振調(diào)控器件。利用硅基混合表面等離激元納米波導(dǎo)，有望實(shí)現(xiàn)超小尺寸器件，但仍存在一定的源自于金屬吸收的損耗。相比之下，純介質(zhì)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)為高性能器件提供了一種低損耗實(shí)現(xiàn)的新途徑，在片上偏振調(diào)控及高效率耦合、高階模式耦合/轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮重要作用。

  例如，采用一種基于非均勻亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)彎曲波導(dǎo)，利用其各向異性導(dǎo)致的超強(qiáng)偏振相關(guān)彎曲損耗，可實(shí)現(xiàn)超小尺寸的超寬帶TE型起偏器，在>415 nm帶寬范圍內(nèi)其損耗<1dB且消光比>20dB，是首個(gè)覆蓋所有光通信波段的硅基片上起偏器，如圖1所示。

圖1 超寬帶TE型硅基片上起偏器

  除了偏振調(diào)控，模式調(diào)控也非常重要。利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)也實(shí)現(xiàn)高階模調(diào)控及高性能多模器件。例如，采用特殊超材料結(jié)構(gòu)及多模激發(fā)/干涉調(diào)控等新機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了低損耗、高消光比的超小型模式交換器，其尺寸<2×3 μm2，在理論和實(shí)驗(yàn)上獲得了超低損耗(~0.2 dB)和超大帶寬(~400 nm)，是目前公開報(bào)道的最好水平，如圖2所示。此外，亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)也為實(shí)現(xiàn)超緊湊多模彎曲波導(dǎo)提供了可能性。例如，采用淺刻蝕亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并優(yōu)化其占空比實(shí)現(xiàn)其等效折射率分布調(diào)控，可顯著提升直波導(dǎo)與彎曲波導(dǎo)的模場(chǎng)匹配性，在彎曲半徑僅10μm條件下仍可獲得了低損耗低串?dāng)_多模傳輸，解決了困擾片上多模波導(dǎo)光互聯(lián)的一大難點(diǎn)問(wèn)題，如圖3所示。這些研究為多模光子學(xué)的發(fā)展提供了核心器件基礎(chǔ)。

圖2 超寬帶高性能多模器件

圖3 基于亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的超緊湊多模彎曲波導(dǎo)

  觀點(diǎn)評(píng)述

  亞波長(zhǎng)光子結(jié)構(gòu)可有效地控制微納光波導(dǎo)導(dǎo)模的場(chǎng)分布、等效折射率、雙折射以及波導(dǎo)色散等模式特性，為實(shí)現(xiàn)低損耗、低串?dāng)_、高消光比以及超寬帶寬的超緊湊高性能硅光器件提供了一種有效途徑，并有望在在非線性、量子光學(xué)等新興應(yīng)用發(fā)揮重要作用。

  撰稿人 | 戴道鋅

  論文題目 | Subwavelength silicon photonics for on chip mode-manipulation

  作者 | 李晨蕾，張明，許弘楠，譚瑩，時(shí)堯成，戴道鋅*

  完成單位 | 浙江大學(xué)