蘭州大學(xué)研究團隊在光學(xué)模式與偏振復用器領(lǐng)域取得新發(fā)現

  據光行天下報道，近期，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院田永輝教授課題組與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT)Arnan Mitchell教授課題組及上海交通大學(xué)蘇翼凱教授課題組合作，在薄膜鈮酸鋰晶圓的表面沉積一層氮化硅薄膜，通過(guò)成熟的CMOS兼容工藝刻蝕氮化硅層可以得到氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)脊型波導，解決了直接刻蝕鈮酸鋰薄膜帶來(lái)的波導側壁角度等問(wèn)題，并基于該波導實(shí)現了高性能的模式和偏振復用器件。相關(guān)結果以“Mode and Polarization-division multiplexing based on silicon nitride loaded lithium niobate on insulator platform”為題在線(xiàn)發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上，并將于當期Front Cover做簡(jiǎn)要介紹。蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生韓旭為論文第一作者，田永輝教授為論文通訊作者，皇家墨爾本理工大學(xué)任光輝博士為論文共同通訊作者。

  由于氮化硅材料擁有略低于鈮酸鋰材料的折射率，因此大部分光場(chǎng)仍限制在鈮酸鋰中，如圖1所示，這樣的性質(zhì)有利于在同一塊襯底上利用鈮酸鋰優(yōu)異的材料屬性實(shí)現電光調制器和光學(xué)非線(xiàn)性器件。同時(shí)，氮化硅材料還擁有與鈮酸鋰相似的光學(xué)透明窗口，有助于實(shí)現超寬帶器件。合作團隊前期在基于氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成的光子器件方面還完成了一些相關(guān)工作：(1) 光柵耦合器 [APL Photonics 6(8), 086108, 2021]，只需一步刻蝕，最大耦合效率~ -4 dB，3 dB帶寬大于70 nm，是該平臺上光柵耦合器的首次報道;(2) 電光調制器 [Optics Letters 46(23), 5986-5989, 2021]，驗證了對OOK信號的高速電光調制，演示的最大調制速率可達80 Gbps。

  圖1. (a) 直刻薄膜鈮酸鋰波導的制作工藝和波導中的模場(chǎng)圖 (b) 氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質(zhì)波導的制作工藝和波導中的模場(chǎng)圖

  鈮酸鋰是典型的各向異性晶體，基于前期的研究工作，團隊研究人員通過(guò)仿真計算得到了鈮酸鋰不同晶體學(xué)軸的光學(xué)模式特性(圖2)，并率先提出了基于該平臺的高性能模式和偏振復用方案：在鈮酸鋰晶體學(xué)Z軸方向實(shí)現模式復用，晶體學(xué)Y軸方向實(shí)現偏振復用。

  圖2. (a) 晶體學(xué)Y軸模式有效折射率與氮化硅脊寬度的關(guān)系 (b) 晶體學(xué)Z軸模式有效折射率與氮化硅脊寬度的關(guān)系

  器件的靜態(tài)測試結果顯示，在覆蓋C波段的寬波長(cháng)范圍內，模式復用/解復用器的插入損耗低于1.46 dB，模間串擾低于-13.03 dB，偏振旋轉分束器的插入損耗低于1.49 dB，偏振消光比大于17.75 dB，如圖3、圖4所示。進(jìn)一步地，研究人員還對器件進(jìn)行了40 Gbps數據傳輸實(shí)驗，得到的眼圖清晰張開(kāi)，誤碼率測試展示了較低的功率損失，證明所制備的器件具有良好的數據處理能力。

  圖3.從模式復用/解復用器的不同信道((a)-(d)依次為T(mén)E0-TE3)輸入信號時(shí)，不同輸出端口測量的傳輸光譜。

  圖4.從偏振旋轉分束器的不同信道((a)、(b)依次為T(mén)E0、TM0)輸入信號時(shí)，不同輸出端口測量的傳輸光譜。

  相關(guān)鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100529