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蘭州大學(xué)研究團隊在光學(xué)模式與偏振復(fù)用器領(lǐng)域取得新發(fā)現(xiàn)

激光制造網(wǎng) 來源:光行天下2022-01-11 我要評論(0 )   

近期,蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院田永輝教授課題組與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT)Arnan Mitchell教授課題組及上海交通大學(xué)蘇翼凱教授課題組合作,在薄膜鈮酸鋰...

近期,蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院田永輝教授課題組與澳大利亞皇家墨爾本理工大學(xué)(RMIT)Arnan Mitchell教授課題組及上海交通大學(xué)蘇翼凱教授課題組合作,在薄膜鈮酸鋰晶圓的表面沉積一層氮化硅薄膜,通過成熟的CMOS兼容工藝刻蝕氮化硅層可以得到氮化硅-鈮酸鋰異質(zhì)脊型波導(dǎo),解決了直接刻蝕鈮酸鋰薄膜帶來的波導(dǎo)側(cè)壁角度等問題,并基于該波導(dǎo)實現(xiàn)了高性能的模式和偏振復(fù)用器件。相關(guān)結(jié)果以“Mode and Polarization-division multiplexing based on silicon nitride loaded lithium niobate on insulator platform”為題在線發(fā)表在Laser & Photonics Reviews上,并將于當(dāng)期Front Cover做簡要介紹。蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士生韓旭為論文第一作者,田永輝教授為論文通訊作者,皇家墨爾本理工大學(xué)任光輝博士為論文共同通訊作者。



由于氮化硅材料擁有略低于鈮酸鋰材料的折射率,因此大部分光場仍限制在鈮酸鋰中,如圖1所示,這樣的性質(zhì)有利于在同一塊襯底上利用鈮酸鋰優(yōu)異的材料屬性實現(xiàn)電光調(diào)制器和光學(xué)非線性器件。同時,氮化硅材料還擁有與鈮酸鋰相似的光學(xué)透明窗口,有助于實現(xiàn)超寬帶器件。合作團隊前期在基于氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質(zhì)集成的光子器件方面還完成了一些相關(guān)工作:(1) 光柵耦合器 [APL Photonics 6(8), 086108, 2021],只需一步刻蝕,最大耦合效率~ -4 dB,3 dB帶寬大于70 nm,是該平臺上光柵耦合器的首次報道;(2) 電光調(diào)制器 [Optics Letters 46(23), 5986-5989, 2021],驗證了對OOK信號的高速電光調(diào)制,演示的最大調(diào)制速率可達(dá)80 Gbps。


圖1. (a) 直刻薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)的制作工藝和波導(dǎo)中的模場圖 (b) 氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質(zhì)波導(dǎo)的制作工藝和波導(dǎo)中的模場圖


鈮酸鋰是典型的各向異性晶體,基于前期的研究工作,團隊研究人員通過仿真計算得到了鈮酸鋰不同晶體學(xué)軸的光學(xué)模式特性(圖2),并率先提出了基于該平臺的高性能模式和偏振復(fù)用方案:在鈮酸鋰晶體學(xué)Z軸方向?qū)崿F(xiàn)模式復(fù)用,晶體學(xué)Y軸方向?qū)崿F(xiàn)偏振復(fù)用。


圖2. (a) 晶體學(xué)Y軸模式有效折射率與氮化硅脊寬度的關(guān)系 (b) 晶體學(xué)Z軸模式有效折射率與氮化硅脊寬度的關(guān)系


器件的靜態(tài)測試結(jié)果顯示,在覆蓋C波段的寬波長范圍內(nèi),模式復(fù)用/解復(fù)用器的插入損耗低于1.46 dB,模間串?dāng)_低于-13.03 dB,偏振旋轉(zhuǎn)分束器的插入損耗低于1.49 dB,偏振消光比大于17.75 dB,如圖3、圖4所示。進(jìn)一步地,研究人員還對器件進(jìn)行了40 Gbps數(shù)據(jù)傳輸實驗,得到的眼圖清晰張開,誤碼率測試展示了較低的功率損失,證明所制備的器件具有良好的數(shù)據(jù)處理能力。


圖3.從模式復(fù)用/解復(fù)用器的不同信道((a)-(d)依次為TE0-TE3)輸入信號時,不同輸出端口測量的傳輸光譜。


圖4.從偏振旋轉(zhuǎn)分束器的不同信道((a)、(b)依次為TE0、TM0)輸入信號時,不同輸出端口測量的傳輸光譜。

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