浙江大学戴道锌团队：超高Q硅基跑道型微腔

  ICC讯 硅光波导微腔是硅光领域的核心结构之一，对于实现光滤波、激光器、光调制器、光开关、全光调控器件等功能至关重要。众所周知，更高Q值的突破一直是微腔领域的基础问题，也是决定其能否满足应用需求的关键因素。然而，利用标准工艺制作的硅光波导往往由于存在较强侧壁散射而具有较大传输损耗(>1 dB/cm)，致使硅光波导微腔Q值一直很难突破106。

  浙江大学光电科学与工程学院的戴道锌教授团队突破了单模条件设计框架，设计出一种基于均匀宽波导模场调控的超高Q跑道型微腔。首先，通过创新性地引入特殊的欧拉曲线型弯曲宽波导，在获得超小等效弯曲半径的同时，成功避免了腔内模间交叉耦合，有效保证了宽波导中基模的单模传输;其次，采用非对称弯曲耦合结构，基于相位匹配原理，获得了足够强的基模耦合，并几乎完全抑制了宽波导中高阶模的激发。

  在此设计中，通过宽波导模场调控的方法显著降低了侧壁散射损耗，获得了超低损耗的基模光场传输，从而实现超高Q硅基跑道型微腔。此外，该设计无需任何特殊工艺，具有完全的工艺兼容性。在该工作中，采用标准流片工艺成功研制了本征Q高达2.3×106的硅基跑道型微腔，其弯曲部分等效半径Reff仅29 μm、自由光谱范围FSR为0.9 nm，是目前报道最小尺寸的Q>106的硅光波导微腔。

超高Q硅基跑道型微腔

  戴道锌教授认为，该工作提出了一种实现高性能硅光器件的新设计思路，对突破光滤波器、非线性器件等关键器件的性能瓶颈具有重要意义。此外，该设计思路具有极好的扩展性，可推广至氮化硅、铌酸锂等其它体系光波导结构，这也是下一步工作的重点之一，未来还将积极推进该类器件更广泛的应用。

  Photonics Research 主编华盛顿大学杨兰点评：

  硅基光电子器件是集成光学芯片的核心之一。集成电路的广泛应用，以及光学器件本身在传感、通讯、激光、成像等众多领域不可或缺的地位，彰显了其结合集成技术实现低功耗、多功能光学器件的前景。

  在各类硅基光子器件里，光学微腔拥有非常特殊的地位，这源于其多功能性及一些独有的物理特性。与传输光信号的硅基波导相比，光学微腔更像是一个模块(building block)，利用不同设计的微腔可以有效地把光局限在指定的体积里，通过光和物质的相互作用实现一系列特定的功能，比如传感器、硅基激光光学陀螺仪、集成光源、调制器等等。

  在设计微腔的时候，如何设计结构形状以及如何把光能导入到特定的模式里，需要根据不同需求进行考量。硅基微腔可以有不同的形式，常用的是环形腔(ring resonators)，也可以是盘状(disk resonators)，或者跑道型(racetrack resonators)，甚至变形腔(deformed resonators)。

  微腔的一个重要指标是品质因子(Quality factors)，它和光子在微腔里的寿命(lifetime)成正比。品质因子越高，光子寿命越长，光子在微腔中和物质的相互作用也越强，相应的效应(例如非线性效应)就会更强。例如微腔里的非线性克尔效应可以用来产生可用于高精度测量的光频梳。如何通过特殊的设计来实现选择性激发特定的光学模式，同时能保持微腔的高品质，是一个非常有意义的问题。

  针对这个问题，浙江大学光电科学与工程学院的戴道锌教授团队报道了超高Q硅基跑道型微腔的研究成果。这篇文章被选为Photonics Research 2020年第5期的封面文章。