田永辉课题组：基于氮化硅-薄膜铌酸锂异质集成的光学模式与偏振复用器

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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。
       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


      文章来源：兰州大学
      田永辉，男，博士，教授, 博士生导师。2006年7月毕业于兰州大学物理科学与技术学院，获得微电子专业学士学位；2006年7-2007年12月 广东汕头华汕电子器件有限公司任助理工程师；2008年9月-2013年7月中国科学院半导体研究所硕博连读，获得微电子学与固体电子学博士学位； 2017年11月-2018年11月受国家留学基金委资助在澳大利亚悉尼大学物理学院访学； 2013年7月-2020年12月兰州大学物理科学与技术学院 副教授、硕士生导师； 2021年1月-至今 兰州大学物理科学与技术学院 教授、博士生导师。目前在国际著名光学期刊及国际会议发表学术论文80余篇，其中在Laser & Photonics Reviews, Nanophotonics，Optics Letters, Optics Express等著名光学期刊发表学术论文近40篇，相关成果得到国内外同行的广泛关注。申请国家专利16项，其中授权专利13项。2012获得中国科学院院长优秀奖和朱李月华优秀博士生奖金，2013年获得中国科学院院长奖学金优秀奖，2014年获得中国科学院优秀博士论文奖。