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创新点:兰州大学田永辉课题组与合作团队通过在薄膜铌酸锂晶圆表面沉积一层氮化硅薄膜,利用成熟的CMOS兼容工艺刻蚀氮化硅层形成氮化硅-铌酸锂异质脊形波导,实现了高性能的模式与偏振复用器件。该异质集成方案方便实现各种结构的无源器件,同时可以发挥铌酸锂优异的电光及光学非线性效应实现高性能的有源器件关键词:薄膜铌酸锂,氮化硅,异质集成,模式复用,偏振复用
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光学复用器是集成光子回路中重要的无源组件之一,它能为光互连、光计算和光传感提供显著的多路并行性,并且已经成为了商用光学收发器中必不可少的重要部件。其中,光学模式和偏振复用器由于只需要一路单波长的激光源就可以成倍提升光互连的通信容量,相对于波分复用大大降低了成本和工艺复杂度,在其他的材料平台上获得了广泛的研究。在薄膜铌酸锂平台上实现模式和偏振复用器,可以与高速的电光调制器进行单片集成,构建大容量、低功耗的集成光子回路,对于下一阶段的高速光通信是非常具有吸引力的。但是,由于铌酸锂材料的化学惰性,现阶段铌酸锂薄膜的刻蚀仍然面临挑战。较为常用的方案是物理干法刻蚀(氩离子铣),但是这种工艺方案需要显著的优化和维持来获得低损耗的波导,并且由于它的机械属性会形成倾斜的波导侧壁,被动增加了相邻波导之间的最小间距,对于需要强耦合波导的器件(如定向耦合器,亚波长光栅等)而言是非常不利的。因此,薄膜铌酸锂平台针对光学模式和偏振复用器的研究仍然比较匮乏。最近,兰州大学物理科学与技术学院田永辉教授课题组与澳大利亚皇家墨尔本理工大学(RMIT)Arnan Mitchell教授课题组及上海交通大学苏翼凯教授课题组合作,在薄膜铌酸锂晶圆的表面沉积一层氮化硅薄膜,通过成熟的CMOS兼容工艺刻蚀氮化硅层可以得到氮化硅-铌酸锂异质脊型波导,解决了直接刻蚀铌酸锂薄膜带来的波导侧壁角度等问题,并基于该波导实现了高性能的模式和偏振复用器件。相关结果在线发表在Laser & Photonics Reviews上,并将于当期Front Cover做简要介绍。
由于氮化硅材料拥有略低于铌酸锂材料的折射率,因此大部分光场仍限制在铌酸锂中,如图1所示,这样的性质有利于在同一块衬底上利用铌酸锂优异的材料属性实现电光调制器和光学非线性器件。同时,氮化硅材料还拥有与铌酸锂相似的光学透明窗口,有助于实现超宽带器件。合作团队前期在基于氮化硅-薄膜铌酸锂异质集成的光子器件方面还完成了一些相关工作:(1) 光栅耦合器 [APL Photonics 6(8), 086108, 2021],只需一步刻蚀,最大耦合效率~ -4 dB,3 dB带宽大于70 nm,是该平台上光栅耦合器的首次报道;(2) 电光调制器 [Optics Letters 46(23), 5986-5989, 2021],验证了对OOK信号的高速电光调制,演示的最大调制速率可达80 Gbps。
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图1 (a) 直刻薄膜铌酸锂波导的制作工艺和波导中的模场图;(b) 氮化硅-薄膜铌酸锂异质波导的制作工艺和波导中的模场图。
铌酸锂是典型的各向异性晶体,基于前期的研究工作,团队研究人员通过仿真计算得到了铌酸锂不同晶体学轴的光学模式特性(图2),并率先提出了基于该平台的高性能模式和偏振复用方案:在铌酸锂晶体学Z轴方向实现模式复用,晶体学Y轴方向实现偏振复用。4.jpg
图2 (a) 晶体学Y轴模式有效折射率与氮化硅脊宽度的关系;(b) 晶体学Z轴模式有效折射率与氮化硅脊宽度的关系。
器件的静态测试结果显示,在覆盖C波段的宽波长范围内,模式复用/解复用器的插入损耗低于1.46 dB,模间串扰低于-13.03 dB,偏振旋转分束器的插入损耗低于1.49 dB,偏振消光比大于17.75 dB,如图3、图4所示。进一步地,研究人员还对器件进行了40 Gbps数据传输实验,得到的眼图清晰张开,误码率测试展示了较低的功率损失,证明所制备的器件具有良好的数据处理能力。5.jpg
图3 从模式复用/解复用器的不同信道((a)-(d)依次为TE0-TE3)输入信号时,不同输出端口测量的传输光谱。
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图4 从偏振旋转分束器的不同信道((a)、(b)依次为TE0、TM0)输入信号时,不同输出端口测量的传输光谱。
论文信息:Mode and Polarization-division multiplexing based on silicon nitride loaded lithium niobate on insulator platform
Xu Han; Yongheng Jiang; Andreas Frigg; Huifu Xiao; Pu Zhang; Thach Giang Nguyen; Andreas Boes; Jianhong Yang; Guanghui Ren*; Yikai Su; Arnan Mitchell; Yonghui Tian*
Laser & Photonics Reviews
DOI: 10.1002/lpor.202100529
Laser & Photonics Reviews
期刊简介
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