浙江大學(xué)提出新型超寬帶硅基集成起偏器

  起偏器是一類基本光學(xué)器件，它可以將輸入光中的特定偏振態(tài)濾除，從而保持單一偏振態(tài)輸出。起偏器被廣泛應(yīng)用于各類光學(xué)系統(tǒng)中，用于降低偏振串?dāng)_。傳統(tǒng)起偏器大多基于雙折射光纖、薄膜濾波器以及線柵偏振片等結(jié)構(gòu)，然而這些起偏器通常尺寸較大且造價(jià)昂貴。硅基集成光子器件具有損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，并且硅基納米波導(dǎo)可以采用CMOS工藝加工，具有實(shí)現(xiàn)高性能、小尺寸、低成本起偏器的潛力。硅基集成起偏器可以通過(guò)淺刻蝕波導(dǎo)、光子晶體微腔、不對(duì)稱定向耦合器等構(gòu)型實(shí)現(xiàn)。然而，由于硅基納米波導(dǎo)的模式色散較強(qiáng)，導(dǎo)致絕大多數(shù)硅基集成起偏器的光學(xué)工作帶寬較窄(< 100 nm)，這限制了硅基集成起偏器在光學(xué)層析成像以及大容量光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。

       針對(duì)這一缺陷，浙江大學(xué)時(shí)堯成教授等研究人員提出一種基于各向異性超材料的新型硅基集成起偏器，其光學(xué)帶寬可達(dá)415 nm以上，可同時(shí)覆蓋O、E、S、C、L、U波段，打破了傳統(tǒng)硅基集成起偏器的光學(xué)帶寬限制。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Photonics Research 2019年第7卷第12期上，并被主編推薦為OSA Spotlight on Optics。

  基于各向異性超材料的超寬帶硅基集成起偏器。器件由彎曲波導(dǎo)與亞波長(zhǎng)光柵超材料組成。對(duì)于TE偏振態(tài)，亞波長(zhǎng)光柵的等效折射率顯著低于硅材料的折射率，使得TE模式可以被有效限制在彎曲波導(dǎo)中無(wú)損傳播。對(duì)于TM偏振態(tài)，亞波長(zhǎng)光柵的等效折射率接近硅材料的折射率，使得TM模式泄漏至亞波長(zhǎng)光柵包層中，產(chǎn)生顯著的彎曲傳播損耗。

  這種新型起偏器由彎曲半徑較小的硅基納米波導(dǎo)與亞波長(zhǎng)光柵包層組成。亞波長(zhǎng)光柵是一種具有各向異性的超材料，在亞波長(zhǎng)光柵中，不同的電場(chǎng)取向?qū)?yīng)不同的有效折射率。對(duì)于TE偏振態(tài)，其電場(chǎng)取向與光軸方向平行，此時(shí)亞波長(zhǎng)光柵的等效折射率顯著低于硅材料的折射率。因此，可以將TE模式有效限制在彎曲波導(dǎo)中，并由輸入端口幾乎無(wú)損地傳輸至輸出端口。對(duì)于TM偏振態(tài)，其電場(chǎng)取向與光軸方向垂直，此時(shí)亞波長(zhǎng)光柵的等效折射率接近硅材料的折射率。因此，TM模式會(huì)泄漏至亞波長(zhǎng)光柵包層中，并產(chǎn)生顯著的彎曲傳播損耗。通過(guò)調(diào)節(jié)亞波長(zhǎng)光柵超材料的結(jié)構(gòu)尺寸，可以有效增強(qiáng)彎曲波導(dǎo)中模場(chǎng)傳輸?shù)钠裣嚓P(guān)性，使得TM偏振態(tài)在較短的傳輸距離內(nèi)被完全濾除，同時(shí)保證TE偏振態(tài)幾乎不被損耗。值得注意的是，亞波長(zhǎng)光柵超材料的雙折射一般不隨波長(zhǎng)變化，另外起偏過(guò)程中不涉及相位匹配，因此這種新型起偏器具備寬帶工作特性。研究人員利用電子束曝光與干法刻蝕工藝，在絕緣硅平臺(tái)上加工實(shí)現(xiàn)了這一結(jié)構(gòu)，在415 nm的光學(xué)帶寬范圍內(nèi)(波長(zhǎng)1.26 μm至1.675 μm)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得小于 1 dB的低損耗與大于 20 dB的高偏振消光比，同時(shí)整體器件尺寸僅為13 μm × 6.5 μm。

  本文通訊作者時(shí)堯成教授相信，該器件在大容量光通信領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，也為超大帶寬硅基偏振調(diào)控器件的設(shè)計(jì)提供了嶄新的思路。該器件可以應(yīng)用于片上光互聯(lián)系統(tǒng)，以降低多維度復(fù)用過(guò)程中產(chǎn)生的偏振串?dāng)_，在近紅外光學(xué)層析成像等領(lǐng)域也有應(yīng)用。

  Photonics Research OSA Spotlight on Optics：

  Hongnan Xu, Daoxin Dai, Yaocheng Shi. Anisotropic metamaterial-assisted all-silicon polarizer with 415-nm bandwidth[J]. Photonics Research, 2019, 7(12): 12001432