兰州大学研究团队在光学模式与偏振复用器领域取得新发现

近期，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。相关结果以“Mode and Polarization-division multiplexing based on silicon nitride loaded lithium niobate on insulator platform”为题在线发表在Laser & Photonics Reviews上，并将于当期Front Cover做简要介绍。兰州大学物理科学与技术学院博士生韩旭为论文第一作者，田永辉教授为论文通讯作者，皇家墨尔本理工大学任光辉博士为论文共同通讯作者。

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。

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。

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。