該研究成果以“High-Performance Silicon Photonic Filter Using Subwavelength-Structure Multimode Waveguide Gratings”為題于2023年11月發(fā)表于光學領(lǐng)域權(quán)威期刊《Laser & Photonics Reviews》。

眾所周知，光濾波器通常是基于雙光束干涉或多光束干涉原理，其工作波長范圍往往受限于其自由頻譜范圍FSR。近日，浙江大學光電科學與工程學院/極端光學技術(shù)與儀器全國重點實驗室戴道鋅教授課題組對此進行了深入研究，提出了亞波長結(jié)構(gòu)多模波導(dǎo)光柵（MSWG）的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)（圖1）。其原理是：利用亞波長結(jié)構(gòu)色散調(diào)控機制從根本上突破其FSR限制，同時利用其靈活的模場調(diào)控實現(xiàn)頻譜靈活調(diào)控，使之具有低損耗、高邊模抑制比及方形譜型等優(yōu)異性能，為突破硅光濾波器性能瓶頸提供了新路徑。

在該工作中，所研制MSWG光濾波器巧妙地利用了布拉格光柵折射率工程，使整個光柵各個位置的局域等效折射率幾乎為恒定值，從而有效地抑制了旁瓣并增加了帶寬設(shè)計靈活度。更重要的是，這種振幅切趾的亞波長光柵不僅能實現(xiàn)高邊模抑制比，還能避免正反向基模間耦合以及由此導(dǎo)致的FSR受限的問題（如圖2所示）。此外，研究表明，通過調(diào)整光柵齒深，其帶寬可根據(jù)實際需要在1-200 nm超大范圍內(nèi)進行靈活設(shè)計。所研制MSWG光學濾波器測試頻譜如圖3所示，具有低損耗（~1 dB）、高邊模抑制比（>20dB）、大帶寬（~13 nm）的優(yōu)異性能，而通過級聯(lián)結(jié)構(gòu)還可進一步將其邊模抑制比提升至40dB以上。更重要的是，該光濾波器的在1450nm以上的超大波長范圍都只有一個帶通，表明其突破了FSR限制。同時，通過調(diào)整 MSWG結(jié)構(gòu)參數(shù)，還可實現(xiàn)超大帶寬硅光濾波器（如圖4所示），其帶寬>160 nm，是迄今報道的片上光濾波器最大帶寬?？傮w而言，這種突破帶寬及FSR限制的硅光濾波器展示了其優(yōu)異性能和突出的擴展性，在超寬帶片上光譜儀和多通道波分復(fù)用系統(tǒng)等實際應(yīng)用中都具有巨大潛力。

Dajian Liu, Jianghao He, Mingyu Zhu, Yuluan Xiang, Long Zhang, Ming Zhang, Yang Xu, Daoxin Dai*, High-Performance Silicon Photonic Filter Using Subwavelength-Structure Multimode Waveguide Gratings, Laser & Photonics Reviews, 2023, 2300485