1. 导读
近年来，由于在通信、传感等工业级与消费级领域的大规模应用，硅基集成光子芯片的集成密度与复杂度随着应用场景的多样化与应用任务的复杂化快速增长。考虑到硅光平台的单层性，集成光波导交叉作为一个基本的组件，在复杂的硅光子芯片中不可避免地会密集出现。因此，如何设计出高性能的硅基光波导交叉引起了研究者们的关注。在过去的研究中，已有研究者们提出不同的方案来降低光通过波导交叉时的损耗，如通过多模干涉、立体交叉、高斯光束合成，逆向设计，或是利用粒子群等非凸优化算法。虽然波导交叉在单个波长下的损耗已被降到很低，但很少有相关工作关注光谱带宽方面的优化。现代光通信标准含6个波段共覆盖415纳米宽的波长范围，以跨波段的信道复用提高通信容量已成为趋势。同时上述结构中有许多对温度变化较为敏感，导致其实际应用于光模块时无法适应多变的环境。因此设计适用于全波段、温度不敏感、低损耗的硅基集成光波导交叉结构势在必行。
最近，加拿大麦吉尔大学电子与计算机学系David V. Plant教授团队在Nanophotonics发表研究文章，提出了一种新型的硅基光波导交叉结构。该设计采用曲型亚波长光栅作为波导交叉处的横向衬底，使得器件在兼顾低损耗的同时实现了全波段覆盖与温度不敏感的特性。团队在该项工作中对该波导交叉器件进行了理论建模与多轮仿真设计优化。优化后的结构经过加工后，团队也以实验证明了其大带宽和对温度不敏感的性质。
该工作从理论角度，该工作提出了曲型亚波长光栅的设计原则、建模方法、应用案例，为硅基集成光子器件的设计提供了新思路，而从实际应用角度，该成果对于全波段光子集成芯片及光通信模块的研发也具有一定意义。
2. 研究背景
图1 全波段硅基光波导交叉设计演变
首先设想最直接的交叉设计，即将两根硅基光波导直接垂直交叉（图1左侧两个结构）。此时硅波导的高折射率差使得光在进入交叉口时有较大的散射角度而误入与之垂直的波导，导致穿过交叉口的光能量衰减，同时也造成对另一路波导的串扰。针对这一问题，早期的设计是引入立体结构，像搭一座桥一样使光耦合进上层波导后穿过仍在下层另一路波导，再耦合回下层。但这一方案的问题在于器件加工过于复杂，并不能利用硅基集成最大的优势，即与传统CMOS工艺的兼容性。另一方案是通过提高硅波导横向衬底的折射率来降低波导折射率差，从而提高交叉处通过率。有研究者曾经提出用浅刻蚀的硅作为波导交叉处的横向衬底, 但却需要较为复杂的二次刻蚀才能实现。
目前主流的交叉设计是构建多模干涉器。利用多模干涉区的自成像效应使光聚焦在波导交叉处，阻止光的散射。这一类设计虽可以把单个波长的损耗降到很低，但由于多模干涉结构会受波长与温度影响，这类器件在一些超大带宽的应用场景中并不适用。光通信的波段从1260纳米覆盖至1675纳米，而已有研究者设计出了能覆盖全波段的硅基光子器件，如偏振分束器，偏振旋转器，起偏器等等，其中并不包括单模光波导交叉。因此如何设计出全波段硅基单模光波导交叉成为了一个挑战。
3. 创新研究
图2 不同交叉结构的电场分布以及对全波段两端波长的通过率
为了实现全波段特性，该研究团队首次提出用亚波长光栅作为横向衬底以降低折射率差。亚波长光栅是周期小于一定阈值的光栅。当光栅周期远小于光的波长时，它不再满足布拉格反射条件，而是成为一种光可以通过的材料。在硅基光子集成的平台——SOI平台上，光栅通常是硅与二氧化硅顶衬底的周期性交织排布，因此亚波长光栅的等效折射率介于硅与二氧化硅之间，作为波导横向衬底时就会减小波导折射率差，从而使光经过交叉时不容易散射。重要的是，该效应适用于目标波段内的所有波长，因此这一设计是实现大带宽与全波段的核心点。同时，相比于浅刻蚀衬底，光栅的刻蚀高度与波导相同，所以仅需单次刻蚀，而且它有更大的设计自由度。
然而，在首版设计（图1中间结构）中有一个问题。由于交叉的两个波导互相垂直，如果直接将一维的亚波长光栅放置于波导横向两侧，在邻近交叉的位置就会不可避免的出现45度的界面。该界面在一定程度上影响了器件的性能。因此在改进方案（图1右侧结构）中研究者又进一步提出曲型亚波长光栅，用环状的、弯曲的光栅作为衬底材料。通过理论分析与建模可知，这样的几何结构拥有连续缓变的介电常数张量，从而不会对波导中传播的模式产生太大的影响。在图2中可以看到，仿真计算出的通过率，改进设计 > 首版设计 > 直接交叉，且该结论在全波段的最短与最长波长都成立。由三维FDTD仿真计算出：该交叉结构在1260纳米至1675纳米的波长范围内实现了小于0.229 分贝的损耗，实现了全波段高通过率。
在此基础上，该团队对通过电子束曝光刻蚀得到的器件实物进行了实验验证。图3为器件在扫描电镜下的成像，可以看到关键结构曲型亚波长光栅被成功加工了出来。而在图4展现的实验结果中，该器件在O波段与C+L波段附近共230纳米波长范围内表现出了最大0.264分贝的插入损耗与最大-30.9分贝的串扰，与仿真计算结果吻合。
图3 经电子束曝光加工的波导交叉，扫描电镜图
图4 全波段硅基光波导交叉实验结果及仿真结果对照
最后，该团队通过仿真与实验对器件在不同温度下的性能进行了计算与测试。仿真与实验结果高度吻合，同时证明了该设计方案对材料折射率的变化不敏感。因此，即使温度发生变化，也不会影响到器件本身的性能，这一特质虽在相关的研究文章中经常被忽略，但在工业应用中实为重要。
4. 应用与展望
本文的作者基于曲型亚波长光栅设计出了一种低损耗、温度不敏感、覆盖全部光通信波段的硅基光波导交叉。环状的曲型亚波长光栅在维持低折射率差的同时避免了对波导中传播模式的影响，使得损耗进一步降低。实验进一步证实了这一效应能够对全波段内的波长生效，并且对温度的变化不敏感。该成果为面向全波段通信等应用的，规模化的光子集成器件与芯片设计提供了新思路。
而随着半导体加工工艺的不断进步，亚波长光栅、光子晶体等超材料将能被更加精细地制造出来，相信到时会涌现出更多基于该类材料的集成光子器件，在光通信，光传感等领域大放异彩。
该研究成果以“Temperature-insensitive and low-loss single-mode silicon waveguide crossing covering all optical communication bands enabled by curved anisotropic metamaterial”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Jinsong Zhang, Luhua Xu, Deng Mao, Yannick D’Mello, Zixian Wei, Weijia Li, David V. Plant。本文作者皆隶属于加拿大麦吉尔大学电子与计算机学系光子系统研究组（Photonics Systems Group），其中第一作者Jinsong Zhang (张晋松)系该组博士生，同时为本文通信作者。
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