浙江大學戴道鋅教授課題組LPR：超越單模，邁向極低損耗的下一代硅光集成

  摘要：浙江大學光電科學與工程學院/現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授團隊提出了基于模場調(diào)控實現(xiàn)極低損耗硅光波導(dǎo)的方法，首次采用標準工藝實現(xiàn)了Q>10 7 創(chuàng)世界紀錄超高Q硅光微腔、線寬僅20.6MHz的超窄帶可調(diào)諧光濾波器以及長達1米的超低損耗硅光波導(dǎo)延遲線等光子集成器件。

  關(guān)鍵詞：極低損耗, 超高Q微腔，光波導(dǎo)，延遲線，硅基

  超高Q硅光波導(dǎo)微腔

  硅光集成是集成光學領(lǐng)域中最受關(guān)注的主流技術(shù)之一，特別是其CMOS工藝兼容性與超高集成密度使得超大規(guī)模光子集成成為可能。這也正是1969年首次提出集成光學概念以來眾多科學家孜孜以求的目標。超大規(guī)模光子集成芯片往往包含數(shù)量極其龐大的無源光子器件以及累積長度達數(shù)十厘米的傳輸波導(dǎo)。然而，當前基于標準工藝流片制作的硅光波導(dǎo)由于側(cè)壁散射往往存在~2 dB/cm的傳輸損耗。隨著硅光集成規(guī)模的不斷增長，波導(dǎo)損耗無疑已成為制約其進一步發(fā)展的決定性瓶頸?？梢灶A(yù)見的是，未來超大規(guī)模光子集成芯片對更低損耗的要求將達到前所未有的新高度，亟需發(fā)展新一代極低損耗硅光波導(dǎo)。

  針對這一問題，來自中國浙江大學光電科學與工程學院/現(xiàn)代光學儀器國家重點實驗室的戴道鋅教授團隊最近報道了極低損耗硅光波導(dǎo)及器件的最新研究成果。該團隊突破常規(guī)思路，超越單模條件制約，提出了均勻展寬波導(dǎo)模場調(diào)控的新理念，基于標準流片工藝即獲得了極低損耗硅光波導(dǎo)基模傳輸，并進一步實現(xiàn)了高性能硅光功能器件。首先，論文基于建立的三維體電流法分析模型從理論上對硅光波導(dǎo)基模散射損耗進行了全面理論研究。其次，通過引入特殊的歐拉曲線彎曲結(jié)構(gòu)，獲得超緊湊彎曲且有效地避免了模間交叉耦合，同時基于模場匹配原理實現(xiàn)了基模高效耦合且?guī)缀跬耆种屏烁唠A模激發(fā)，成功實現(xiàn)了均勻展寬波導(dǎo)彎曲結(jié)構(gòu)中基模的單模傳輸。最后，國際首次基于標準流片工藝實現(xiàn)了Q>10 7 超高Q硅光微腔，其對應(yīng)的波導(dǎo)損耗僅為0.065dB/cm(比傳統(tǒng)硅光波導(dǎo)損耗降低了1-2個量級)。在此基礎(chǔ)上，進一步研制了3dB帶寬僅為20.6MHz的超窄線寬硅基可調(diào)諧光濾波器、長達1米的超長硅光波導(dǎo)延遲線。

  戴道鋅教授認為，該論文提出的超越單模新思路對突破極低損耗硅光波導(dǎo)及器件發(fā)展瓶頸具有重要意義，為基于標準工藝實現(xiàn)下一代超大規(guī)模硅光集成提供了基礎(chǔ)支撐。該方法也同樣適用于氮化硅、鈮酸鋰等其它材料體系，具有極好的擴展性，將有力推動量子光學、非線性光學、微波光子學等領(lǐng)域的發(fā)展。

  WILEY

  論文信息：

  Ultralow-loss silicon photonics beyond the singlemode regime

  Long Zhang, Shihan Hong, Yi Wang, Hao Yan, Yiwei Xie, Tangnan Chen, Ming Zhang, Zejie Yu,Yaocheng Shi, Liu Liu, Daoxin Dai*

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