近期，蘭州大學物理科學與技術學院田永輝教授課題組與澳大利亞皇家墨爾本理工大學（RMIT）Arnan Mitchell教授課題組及上海交通大學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矽薄膜，透過成熟的CMOS相容工藝刻蝕氮化矽層可以得到氮化矽-鈮酸鋰異質脊型波導，解決了直接刻蝕鈮酸鋰薄膜帶來的波導側壁角度等問題，並基於該波導實現了高效能的模式和偏振複用器件。相關結果以“Mode and Polarization-division multiplexing based on silicon nitride loaded lithium niobate on insulator platform”為題線上發表在Laser & Photonics Reviews上，並將於當期Front Cover做簡要介紹。蘭州大學物理科學與技術學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任光輝博士為論文共同通訊作者。
由於氮化矽材料擁有略低於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，這樣的性質有利於在同一塊襯底上利用鈮酸鋰優異的材料屬性實現電光調製器和光學非線性器件。同時，氮化矽材料還擁有與鈮酸鋰相似的光學透明視窗，有助於實現超寬頻器件。合作團隊前期在基於氮化矽-薄膜鈮酸鋰異質整合的光子器件方面還完成了一些相關工作：(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頻寬大於70 nm，是該平臺上光柵耦合器的首次報道；(2) 電光調製器 [Optics Letters 46(23), 5986-5989, 2021]，驗證了對OOK訊號的高速電光調製，演示的最大調製速率可達80 Gbps。
圖1 (a) 直刻薄膜鈮酸鋰波導的製作工藝和波導中的模場圖；(b) 氮化矽-薄膜鈮酸鋰異質波導的製作工藝和波導中的模場圖。
鈮酸鋰是典型的各向異性晶體，基於前期的研究工作，團隊研究人員透過模擬計算得到了鈮酸鋰不同晶體學軸的光學模式特性（圖2），並率先提出了基於該平臺的高效能模式和偏振複用方案：在鈮酸鋰晶體學Z軸方向實現模式複用，晶體學Y軸方向實現偏振複用。
圖2 (a) 晶體學Y軸模式有效折射率與氮化矽脊寬度的關係；(b) 晶體學Z軸模式有效折射率與氮化矽脊寬度的關係。
器件的靜態測試結果顯示，在覆蓋C波段的寬波長範圍內，模式複用/解複用器的插入損耗低於1.46 dB，模間串擾低於-13.03 dB，偏振旋轉分束器的插入損耗低於1.49 dB，偏振消光比大於17.75 dB，如圖3、圖4所示。進一步地，研究人員還對器件進行了40 Gbps資料傳輸實驗，得到的眼圖清晰張開，誤位元速率測試展示了較低的功率損失，證明所製備的器件具有良好的資料處理能力。
圖3 從模式複用/解複用器的不同通道（(a)-(d)依次為TE0-TE3）輸入訊號時，不同輸出埠測量的傳輸光譜。
圖4 從偏振旋轉分束器的不同通道（(a)、(b)依次為TE0、TM0）輸入訊號時，不同輸出埠測量的傳輸光譜。
論文資訊：
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
原文連結：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100529
來源：蘭州大學物理科學與技術學院
文:田永輝
圖:田永輝
編輯:王瑛
責任編輯:彭倩
