浙江大學提出新型超寬帶硅基集成起偏器

  起偏器是一類基本光學器件，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。起偏器被廣泛應用于各類光學系統(tǒng)中，用于降低偏振串擾。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昂貴。硅基集成光子器件具有損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，并且硅基納米波導可以采用CMOS工藝加工，具有實現(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淺刻蝕波導、光子晶體微腔、不對稱定向耦合器等構(gòu)型實現(xiàn)。然而，由于硅基納米波導的模式色散較強，導致絕大多數(shù)硅基集成起偏器的光學工作帶寬較窄(< 100 nm)，這限制了硅基集成起偏器在光學層析成像以及大容量光通信等領域的應用。

       針對這一缺陷，浙江大學時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，其光學帶寬可達415 nm以上，可同時覆蓋O、E、S、C、L、U波段，打破了傳統(tǒng)硅基集成起偏器的光學帶寬限制。相關研究結(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。器件由彎曲波導與亞波長光柵超材料組成。對于TE偏振態(tài)，亞波長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中無損傳播。對于TM偏振態(tài)，亞波長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與亞波長光柵包層組成。亞波長光柵是一種具有各向異性的超材料，在亞波長光柵中，不同的電場取向?qū)煌挠行д凵渎?。對于TE偏振態(tài)，其電場取向與光軸方向平行，此時亞波長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中，并由輸入端口幾乎無損地傳輸至輸出端口。對于TM偏振態(tài)，其電場取向與光軸方向垂直，此時亞波長光柵的等效折射率接近硅材料的折射率。因此，TM模式會泄漏至亞波長光柵包層中，并產(chǎn)生顯著的彎曲傳播損耗。通過調(diào)節(jié)亞波長光柵超材料的結(jié)構(gòu)尺寸，可以有效增強彎曲波導中模場傳輸?shù)钠裣嚓P性，使得TM偏振態(tài)在較短的傳輸距離內(nèi)被完全濾除，同時保證TE偏振態(tài)幾乎不被損耗。值得注意的是，亞波長光柵超材料的雙折射一般不隨波長變化，另外起偏過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，在絕緣硅平臺上加工實現(xiàn)了這一結(jié)構(gòu)，在415 nm的光學帶寬范圍內(nèi)(波長1.26 μm至1.675 μm)，實驗測得小于 1 dB的低損耗與大于 20 dB的高偏振消光比，同時整體器件尺寸僅為13 μm × 6.5 μm。

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

  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