近期，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統(tǒng)部周立兵研究員團隊在高性能薄膜鈮酸鋰模分復用器件消光比提升方面取得新進展，相關成果以“High performance mode (de)multiplexer assisted with a microring resonator on the lithium niobite-on-insulator platform”為題，發(fā)表于Nanophotonics。
 

　　薄膜鈮酸鋰具有強電光、聲光和非線性光學效應等優(yōu)異性能，被認為是下一代集成光通信、光傳感及光計算的理想平臺。近年來，隨著大尺寸薄膜鈮酸鋰晶圓以及低損耗光子芯片微納加工技術的飛速進展，基于薄膜鈮酸鋰的多種集成光電器件被相繼實現(xiàn)，如高速電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器、頻率轉換器、寬帶光頻梳、光電探測器等。其中，薄膜鈮酸鋰聲光調(diào)制器由于在激光信號處理、相干量子態(tài)轉換以及微波光子學等領域具有廣泛的應用前景而逐漸受到研究者的關注。高性能的模分復用器件是薄膜鈮酸鋰聲光調(diào)制器的關鍵核心器件之一，主要用于聲光調(diào)制信號與輸入光信號的分離，直接決定片上聲光調(diào)制器的消光比性能。目前，基于薄膜鈮酸鋰平臺的模分復用器件的消光比約為20 dB，與分立式晶體聲光調(diào)制器的消光比指標還存在較大差距。
 

　　針對上述挑戰(zhàn)，該研究團隊從片上聲光調(diào)制的物理過程出發(fā)，結合片上聲光調(diào)制光場模式和頻率轉換的特性，提出了模分復用器和高Q值臨界耦合微環(huán)諧振器片上集成的方案，以實現(xiàn)高消光比的信號分離。團隊采用單步電子束曝光和干法刻蝕的方案分別制備了基于非對稱定向耦合器的模分復用器件、集成微環(huán)諧振器的模分復用器件。測試結果表明，薄膜鈮酸鋰模分復用器件在1514-1580 nm波段范圍內(nèi)片上插入損耗低于1.92dB，模式串擾優(yōu)于-20 dB。在此基礎上，團隊進一步研究了片上集成臨界耦合微環(huán)諧振器對器件插損和消光比等關鍵性能指標的影響。實驗研究表明：該片上集成方案僅引入微環(huán)諧振器自身的插損，而未產(chǎn)生額外的耦合或散射損耗。更重要的是，該集成器件的消光比性能獲得顯著提升：平均消光比提升至30 dB以上，最高值可達35 dB。進一步分析表明，通過優(yōu)化器件設計和制備工藝、采用多微環(huán)級聯(lián)濾波結構等方法有望將該集成器件的消光比提升至40 dB，接近商用晶體聲光調(diào)制器的性能水平。這一成果有望解決目前片上聲光調(diào)制器消光比低的瓶頸問題，為應用于芯片級的光隔離、移頻和激光雷達等領域的集成聲光調(diào)制器以及超低串擾多模光子傳輸研究提供新方法。
 

　　相關研究得到了國家自然科學基金面上項目、上海市產(chǎn)業(yè)協(xié)同項目和中國科學院重點部署項目的支持。
 

圖1 集成器件的消光比實驗表征結果