撰稿|由课题组供稿
3dB功率分束器作为集成光子回路中重要无源组件之一，它能够实现对光能量的平均分束/合束，是其它关键光子器件（如光开关、光调制器、波分复用器和光相控阵）的重要组成部分。因此，实现具有大带宽、低插入损耗及紧凑尺寸的3dB功率分束器对于未来大规模的光子集成具有重要意义。基于定向耦合器的3dB功率分束器由于间隙宽度恒定，结构简单，制造起来相对容易。然而，此类定向耦合器对波长依赖性较强从而导致其工作带宽受限及对波导宽度变化较为敏感，从而严重限制了其应用。作为另一种主流方案，基于多模干涉仪的3dB功率分束器具有更高的工作带宽和制造容差，然而也会带来更大的器件尺寸。基于Y分支的3dB功率分束器具有较强的灵活性及近乎波长无关的模场调节能力，能够在相当大的带宽上实现低损耗能量传输。然而，对于传统的Y分支结构，从零线宽开始缓慢地分离出两个分支结构，往往会引入高的附加损耗和模间串扰，这种结构对加工制作工艺提出更高的要求。目前，虽然在硅基平台上已经报道了许多性能优异的3dB功率分束器，但受限于加工工艺技术，在铌酸锂平台上报道的相关工作较少。
亚波长光栅波导作为周期性介质波导的一种，波导光栅结构在光模式的传播方向上存在周期性的介电微扰，这种周期介电微扰通常是通过改变折射率（交替材料）或者波导的物理结构（表面起伏）来实现。因其可以改变光栅的结构参数（如占空比、周期等）来对光波的传输特性（如相位、振幅、偏振等）进行操控，近年来受到了研究人员的广泛关注。亚波长光栅对于提升集成光学中器件的性能有着巨大的潜在优势，然而如何在铌酸锂平台上实现亚波长光栅等微结构的图案化来对器件性能进行优化，是集成光子学领域所面临的难题之一。
由于铌酸锂材料的化学惰性，现阶段基于铌酸锂薄膜的刻蚀微纳结构仍然面临挑战。较为常用的方案是物理干法刻蚀（氩离子铣），但是这种工艺方案需要显著的优化和维持来获得低损耗的波导，并且由于它的机械属性会形成倾斜的波导侧壁，因此在直刻铌酸锂平台上引入微结构（如亚波长光栅）来实现高性能的光子器件需要技术层面的进一步突破。
鉴于此，兰州大学田永辉教授课题组联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）ArnanMitchell教授课题组，在薄膜铌酸锂晶圆的表面沉积一层氮化硅薄膜，通过成熟的CMOS兼容的刻蚀技术仅仅刻蚀氮化硅层就可以得到氮化硅-铌酸锂异质脊型波导，并在此平台基础上提出了一种基于锥形亚波长光栅辅助的Y分支超宽带紧凑型3dB功率分束器，如图1所示。
图1.（a）基于锥形亚波长光栅辅助的Y分支3dB功率分束器3D示意图。（b）波导的横截面和光场分布示意图。（c）器件的2D俯视图。
引入锥形亚波长光栅的优势在于:(i)能够缓解Y结处特征尺寸过小而难以制造的问题，(ii)减小Y结处由于模场失配而造成的辐射损耗和(iii)增强光场倏逝耦合从而缩减器件的尺寸。通过优化光栅的占空比、周期长度和周期数等结构参数可以实现超大带宽、低损耗的3dB功率分束。仿真结果表明：当插入损耗小于0.37 dB时，器件的工作带宽可达1200nm、覆盖1.2-2.4μm，如图2所示。即使与硅平台上演示的各种3dB功率分束器相比，该器件在插损和带宽方面仍然具有优势。器件的静态测试结果显示，在1.5-1.6 μm的宽波长范围内，3dB功率分束器的插入损耗低于0.2 dB，该波段的功率不平衡度小于0.5 dB，并且通过线性拟合得到1550 nm波长处器件的插入损耗为0.11 dB（如图3），验证了该器件的优异性能。
图2. 所提出的器件3dB功率分束器在1.1至2.4 μm波长范围内的模拟传输光谱。
图3.（a）在不同输出端口测量的传输光谱。（b）实验所测得的3dB功率分束器的插入损耗。（c）在1550nm波长下， 3dB功率分束器插入损耗的线性拟合图。（d）实验所测得的3dB功率分束器的不平衡度。
