面向片上模式调控的亚波长硅光子学研究

  片上模式调控是实现光子器件和集成回路的重要基础。在过去的几年里，通过引入特殊的亚波长波导结构，亚波长硅光子学及片上模式调控取得很大进展。浙江大学戴道锌团队近期在 PhotoniX 发表了题为“Subwavelength silicon photonics for on chip mode-manipulation”的论文。

  该文总结和分析了亚波长结构及其在模式等效折射率、场分布、色散及双折射等方面的有效调控及应用，主要包括基模及高阶模等两方面。首先，该文深入分析了用于基模调控的亚波长硅光器件，包括高性能偏振调控器件、用于芯片-光纤耦合的高效模式转换器和超宽带功率分配器等。其次，探讨了用于高阶模调控的亚波长硅光器件，包括多模转换器、多模波导弯曲和多模波导交叉等。最后，讨论了亚波长硅光子学及片上模式调控潜在的新兴应用。

  研究背景

  硅光技术具备超宽透明窗口、超高折射率差、CMOS兼容性等突出优势，近年来取得了重大发展。为满足实际应用需求，亟需发展具有更低损耗、更高消光比、更低串扰、更大带宽及更大容差的高性能光子集成器件，并进一步实现大规模光子集成。亚波长微纳结构的引入为实现这一目标提供了有效途径，被广泛研究。目前，有两种应用较为广泛的代表性亚波长结构，即：硅基混合等离激元纳米波导(HPWG)和硅基亚波长结构光波导(SSWG)。

  其中，HPWG与SOI完全兼容，具有低折射率区光场显著增强和超强偏振敏感等特性，且其损耗远低于传统金属纳米等离激元波导;SSWG属于全介质波导，具有超低损耗等特点，且通过调整占空比可调控波导结构等效折射率，进而实现对其导模模场、双折射和模式色散等参数的灵活调控。因此，该论文着重聚焦于HPWG和SSWG等两种典型亚波长波导结构及其应用。

  技术进展

  近年来，亚波长光子结构已被广泛应用于构建偏振器、偏振分束器、偏振旋转器和偏振分离器旋转器等高性能硅上偏振调控器件。利用硅基混合表面等离激元纳米波导，有望实现超小尺寸器件，但仍存在一定的源自于金属吸收的损耗。相比之下，纯介质亚波长结构为高性能器件提供了一种低损耗实现的新途径，在片上偏振调控及高效率耦合、高阶模式耦合/转换和传输等方面发挥重要作用。

  例如，采用一种基于非均匀亚波长结构弯曲波导，利用其各向异性导致的超强偏振相关弯曲损耗，可实现超小尺寸的超宽带TE型起偏器，在>415 nm带宽范围内其损耗<1dB且消光比>20dB，是首个覆盖所有光通信波段的硅基片上起偏器，如图1所示。

图1 超宽带TE型硅基片上起偏器

  除了偏振调控，模式调控也非常重要。利用亚波长结构也实现高阶模调控及高性能多模器件。例如，采用特殊超材料结构及多模激发/干涉调控等新机制，实现了低损耗、高消光比的超小型模式交换器，其尺寸<2×3 μm2，在理论和实验上获得了超低损耗(~0.2 dB)和超大带宽(~400 nm)，是目前公开报道的最好水平，如图2所示。此外，亚波长结构也为实现超紧凑多模弯曲波导提供了可能性。例如，采用浅刻蚀亚波长光栅波导结构，通过采用非对称结构设计并优化其占空比实现其等效折射率分布调控，可显著提升直波导与弯曲波导的模场匹配性，在弯曲半径仅10μm条件下仍可获得了低损耗低串扰多模传输，解决了困扰片上多模波导光互联的一大难点问题，如图3所示。这些研究为多模光子学的发展提供了核心器件基础。

图2 超宽带高性能多模器件

图3 基于亚波长光栅结构的超紧凑多模弯曲波导

  观点评述

  亚波长光子结构可有效地控制微纳光波导导模的场分布、等效折射率、双折射以及波导色散等模式特性，为实现低损耗、低串扰、高消光比以及超宽带宽的超紧凑高性能硅光器件提供了一种有效途径，并有望在在非线性、量子光学等新兴应用发挥重要作用。

  撰稿人 | 戴道锌

  论文题目 | Subwavelength silicon photonics for on chip mode-manipulation

  作者 | 李晨蕾，张明，许弘楠，谭莹，时尧成，戴道锌*

  完成单位 | 浙江大学