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硅薄膜，通過成熟的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，并基于該波導實現了高性能的模式和偏振復用器件。相關結果以“Mode and Polarization-division multiplexing based on silicon nitride loaded lithium niobate on insulator platform”為題在線發表在Laser & Photonics Reviews上，并將于當期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，因此大部分光場仍限制在鈮酸鋰中，如圖1所示，這樣的性質有利于在同一塊襯底上利用鈮酸鋰優異的材料屬性實現電光調制器和光學非線性器件。同時，氮化硅材料還擁有與鈮酸鋰相似的光學透明窗口，有助于實現超寬帶器件。合作團隊前期在基于氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質集成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帶寬大于70 nm，是該平臺上光柵耦合器的首次報道；(2) 電光調制器 [Optics Letters 46(23), 5986-5989, 2021]，驗證了對OOK信號的高速電光調制，演示的最大調制速率可達80 Gbps。
圖1. (a) 直刻薄膜鈮酸鋰波導的制作工藝和波導中的模場圖 (b) 氮化硅-薄膜鈮酸鋰異質波導的制作工藝和波導中的模場圖
鈮酸鋰是典型的各向異性晶體，基于前期的研究工作，團隊研究人員通過仿真計算得到了鈮酸鋰不同晶體學軸的光學模式特性（圖2），并率先提出了基于該平臺的高性能模式和偏振復用方案：在鈮酸鋰晶體學Z軸方向實現模式復用，晶體學Y軸方向實現偏振復用。
圖2. (a) 晶體學Y軸模式有效折射率與氮化硅脊寬度的關系 (b) 晶體學Z軸模式有效折射率與氮化硅脊寬度的關系
器件的靜態測試結果顯示，在覆蓋C波段的寬波長范圍內，模式復用/解復用器的插入損耗低于1.46 dB，模間串擾低于-13.03 dB，偏振旋轉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。進一步地，研究人員還對器件進行了40 Gbps數據傳輸實驗，得到的眼圖清晰張開，誤碼率測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據處理能力。
圖3.從模式復用/解復用器的不同信道（(a)-(d)依次為TE0-TE3）輸入信號時，不同輸出端口測量的傳輸光譜。
圖4.從偏振旋轉分束器的不同信道（(a)、(b)依次為TE0、TM0）輸入信號時，不同輸出端口測量的傳輸光譜。
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