面向片上模式調控的亞波長硅光子學研究

  片上模式調控是實現光子器件和集成回路的重要基礎。在過去的幾年里，通過引入特殊的亞波長波導結構，亞波長硅光子學及片上模式調控取得很大進展。浙江大學戴道鋅團隊近期在 PhotoniX 發(fā)表了題為“Subwavelength silicon photonics for on chip mode-manipulation”的論文。

  該文總結和分析了亞波長結構及其在模式等效折射率、場分布、色散及雙折射等方面的有效調控及應用，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控的亞波長硅光器件，包括高性能偏振調控器件、用于芯片-光纖耦合的高效模式轉換器和超寬帶功率分配器等。其次，探討了用于高階模調控的亞波長硅光器件，包括多模轉換器、多模波導彎曲和多模波導交叉等。最后，討論了亞波長硅光子學及片上模式調控潛在的新興應用。

  研究背景

  硅光技術具備超寬透明窗口、超高折射率差、CMOS兼容性等突出優(yōu)勢，近年來取得了重大發(fā)展。為滿足實際應用需求，亟需發(fā)展具有更低損耗、更高消光比、更低串擾、更大帶寬及更大容差的高性能光子集成器件，并進一步實現大規(guī)模光子集成。亞波長微納結構的引入為實現這一目標提供了有效途徑，被廣泛研究。目前，有兩種應用較為廣泛的代表性亞波長結構，即：硅基混合等離激元納米波導(HPWG)和硅基亞波長結構光波導(SSWG)。

  其中，HPWG與SOI完全兼容，具有低折射率區(qū)光場顯著增強和超強偏振敏感等特性，且其損耗遠低于傳統(tǒng)金屬納米等離激元波導;SSWG屬于全介質波導，具有超低損耗等特點，且通過調整占空比可調控波導結構等效折射率，進而實現對其導模模場、雙折射和模式色散等參數的靈活調控。因此，該論文著重聚焦于HPWG和SSWG等兩種典型亞波長波導結構及其應用。

  技術進展

  近年來，亞波長光子結構已被廣泛應用于構建偏振器、偏振分束器、偏振旋轉器和偏振分離器旋轉器等高性能硅上偏振調控器件。利用硅基混合表面等離激元納米波導，有望實現超小尺寸器件，但仍存在一定的源自于金屬吸收的損耗。相比之下，純介質亞波長結構為高性能器件提供了一種低損耗實現的新途徑，在片上偏振調控及高效率耦合、高階模式耦合/轉換和傳輸等方面發(fā)揮重要作用。

  例如，采用一種基于非均勻亞波長結構彎曲波導，利用其各向異性導致的超強偏振相關彎曲損耗，可實現超小尺寸的超寬帶TE型起偏器，在>415 nm帶寬范圍內其損耗<1dB且消光比>20dB，是首個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

  除了偏振調控，模式調控也非常重要。利用亞波長結構也實現高階模調控及高性能多模器件。例如，采用特殊超材料結構及多模激發(fā)/干涉調控等新機制，實現了低損耗、高消光比的超小型模式交換器，其尺寸<2×3 μm2，在理論和實驗上獲得了超低損耗(~0.2 dB)和超大帶寬(~400 nm)，是目前公開報道的最好水平，如圖2所示。此外，亞波長結構也為實現超緊湊多模彎曲波導提供了可能性。例如，采用淺刻蝕亞波長光柵波導結構，通過采用非對稱結構設計并優(yōu)化其占空比實現其等效折射率分布調控，可顯著提升直波導與彎曲波導的模場匹配性，在彎曲半徑僅10μm條件下仍可獲得了低損耗低串擾多模傳輸，解決了困擾片上多模波導光互聯(lián)的一大難點問題，如圖3所示。這些研究為多模光子學的發(fā)展提供了核心器件基礎。

圖2 超寬帶高性能多模器件

圖3 基于亞波長光柵結構的超緊湊多模彎曲波導

  觀點評述

  亞波長光子結構可有效地控制微納光波導導模的場分布、等效折射率、雙折射以及波導色散等模式特性，為實現低損耗、低串擾、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、量子光學等新興應用發(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，時堯成，戴道鋅*

  完成單位 | 浙江大學