浙江大學(xué)戴道鋅團(tuán)隊(duì)：超高Q硅基跑道型微腔

  ICC訊 硅光波導(dǎo)微腔是硅光領(lǐng)域的核心結(jié)構(gòu)之一，對(duì)于實(shí)現(xiàn)光濾波、激光器、光調(diào)制器、光開(kāi)關(guān)、全光調(diào)控器件等功能至關(guān)重要。眾所周知，更高Q值的突破一直是微腔領(lǐng)域的基礎(chǔ)問(wèn)題，也是決定其能否滿足應(yīng)用需求的關(guān)鍵因素。然而，利用標(biāo)準(zhǔn)工藝制作的硅光波導(dǎo)往往由于存在較強(qiáng)側(cè)壁散射而具有較大傳輸損耗(>1 dB/cm)，致使硅光波導(dǎo)微腔Q值一直很難突破106。

  浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)突破了單模條件設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)出一種基于均勻?qū)挷▽?dǎo)模場(chǎng)調(diào)控的超高Q跑道型微腔。首先，通過(guò)創(chuàng)新性地引入特殊的歐拉曲線型彎曲寬波導(dǎo)，在獲得超小等效彎曲半徑的同時(shí)，成功避免了腔內(nèi)模間交叉耦合，有效保證了寬波導(dǎo)中基模的單模傳輸;其次，采用非對(duì)稱彎曲耦合結(jié)構(gòu)，基于相位匹配原理，獲得了足夠強(qiáng)的基模耦合，并幾乎完全抑制了寬波導(dǎo)中高階模的激發(fā)。

  在此設(shè)計(jì)中，通過(guò)寬波導(dǎo)模場(chǎng)調(diào)控的方法顯著降低了側(cè)壁散射損耗，獲得了超低損耗的基模光場(chǎng)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)超高Q硅基跑道型微腔。此外，該設(shè)計(jì)無(wú)需任何特殊工藝，具有完全的工藝兼容性。在該工作中，采用標(biāo)準(zhǔn)流片工藝成功研制了本征Q高達(dá)2.3×106的硅基跑道型微腔，其彎曲部分等效半徑Reff僅29 μm、自由光譜范圍FSR為0.9 nm，是目前報(bào)道最小尺寸的Q>106的硅光波導(dǎo)微腔。

超高Q硅基跑道型微腔

  戴道鋅教授認(rèn)為，該工作提出了一種實(shí)現(xiàn)高性能硅光器件的新設(shè)計(jì)思路，對(duì)突破光濾波器、非線性器件等關(guān)鍵器件的性能瓶頸具有重要意義。此外，該設(shè)計(jì)思路具有極好的擴(kuò)展性，可推廣至氮化硅、鈮酸鋰等其它體系光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這也是下一步工作的重點(diǎn)之一，未來(lái)還將積極推進(jìn)該類(lèi)器件更廣泛的應(yīng)用。

  Photonics Research 主編華盛頓大學(xué)楊蘭點(diǎn)評(píng)：

  硅基光電子器件是集成光學(xué)芯片的核心之一。集成電路的廣泛應(yīng)用，以及光學(xué)器件本身在傳感、通訊、激光、成像等眾多領(lǐng)域不可或缺的地位，彰顯了其結(jié)合集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗、多功能光學(xué)器件的前景。

  在各類(lèi)硅基光子器件里，光學(xué)微腔擁有非常特殊的地位，這源于其多功能性及一些獨(dú)有的物理特性。與傳輸光信號(hào)的硅基波導(dǎo)相比，光學(xué)微腔更像是一個(gè)模塊(building block)，利用不同設(shè)計(jì)的微腔可以有效地把光局限在指定的體積里，通過(guò)光和物質(zhì)的相互作用實(shí)現(xiàn)一系列特定的功能，比如傳感器、硅基激光光學(xué)陀螺儀、集成光源、調(diào)制器等等。

  在設(shè)計(jì)微腔的時(shí)候，如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形狀以及如何把光能導(dǎo)入到特定的模式里，需要根據(jù)不同需求進(jìn)行考量。硅基微腔可以有不同的形式，常用的是環(huán)形腔(ring resonators)，也可以是盤(pán)狀(disk resonators)，或者跑道型(racetrack resonators)，甚至變形腔(deformed resonators)。

  微腔的一個(gè)重要指標(biāo)是品質(zhì)因子(Quality factors)，它和光子在微腔里的壽命(lifetime)成正比。品質(zhì)因子越高，光子壽命越長(zhǎng)，光子在微腔中和物質(zhì)的相互作用也越強(qiáng)，相應(yīng)的效應(yīng)(例如非線性效應(yīng))就會(huì)更強(qiáng)。例如微腔里的非線性克爾效應(yīng)可以用來(lái)產(chǎn)生可用于高精度測(cè)量的光頻梳。如何通過(guò)特殊的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)選擇性激發(fā)特定的光學(xué)模式，同時(shí)能保持微腔的高品質(zhì)，是一個(gè)非常有意義的問(wèn)題。

  針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院的戴道鋅教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了超高Q硅基跑道型微腔的研究成果。這篇文章被選為Photonics Research 2020年第5期的封面文章。