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(guò)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(lái)的波導(dǎo)側(cè)壁角度等問(wèn)題，并基于該波導(dǎo)實(shí)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(jiǎn)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)電光調(diào)制器和光學(xué)非線性器件。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)超寬帶器件。合作團(tuán)隊(duì)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(tái)上光柵耦合器的首次報(bào)道；(2) 電光調(diào)制器 [Optics Letters 46(23), 5986-5989, 2021]，驗(yàn)證了對(duì)OOK信號(hào)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(chǎng)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(chǎng)圖

鈮酸鋰是典型的各向異性晶體，基于前期的研究工作，團(tuán)隊(duì)研究人員通過(guò)仿真計(jì)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(tái)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(cè)試結(jié)果顯示，在覆蓋C波段的寬波長(zhǎng)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(duì)器件進(jìn)行了40 Gbps數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，得到的眼圖清晰張開，誤碼率測(cè)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(hào)時(shí)，不同輸出端口測(cè)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(hào)時(shí)，不同輸出端口測(cè)量的傳輸光譜。