图1 超宽带模斑转换的片上超表面透镜
1. 导读
绝缘衬底上的硅平台（SOI）具有大折射率差、CMOS工艺兼容、高密度集成等优势，有望用于大规模光电子集成电路。许多尺寸小、集成度高、低损耗的硅基光电子器件已经被实现，其中绝热锥形波导是实现集成光子电路中光束转换的重要组成部分。然而，传统的绝热锥型波导结构面临着占用芯片面积大和带宽受限的挑战。为此，研究者们引入片上梯度折射率分布（GRIN）的结构，缩小占用芯片面积，以实现尺寸不同的波导之间或者光纤与波导之间的光束模场转换。但仍存在带宽受限、只能实现不同宽度波导之间的一维模斑转换等问题。
针对这些问题，近日上海交通大学苏翼凯教授团队张永副研究员与西南交通大学邹喜华教授在Nanophotonics合作发表最新文章，提出了基于GRIN超表面结构的片上半麦克斯韦鱼眼透镜，利用具有亚波长特征的周期性硅纳米柱阵列来设计超构表面中的梯度折射率分布，实现了任意两个不同宽度厚度波导之间的片上连接。得益于超紧凑的片上半麦克斯韦鱼眼透镜的折射率分布和聚焦特性，横向电（TE）基模光场在220纳米厚、8微米宽的硅波导和60纳米厚、0.5微米宽的硅波导之间得以低损耗转换。仿真工作带宽可以达到1100纳米，由于实验装置波长限制，实验表征测试带宽为340纳米，插入损耗小于1 dB。实验结果与色散理论预期带宽吻合，表明该超构表面可以有效增大透镜工作带宽，提升聚焦性能。
该研究成果不仅为实现超宽带、超紧凑、低损耗的片上模斑转换提供了理论和设计指导，并为片上波导互连、芯片与光纤耦合等领域的研究与应用打开了新思路。
2. 研究背景
绝缘衬底上的硅平台是目前学术界和业界公认最有希望实现大规模光电器件集成的平台，利用成熟的CMOS工艺线，可以极低的成本实现芯片的加工制备。大规模集成芯片中光电功能器件众多，对光波导的厚度和宽度要求也不尽相同。在不同宽度厚度波导之间的连接中，低损耗的绝热波导模式演化成了大规模集成光电芯片中重要的一环。传统的支持绝热波导模式演化的锥形波导是目前广泛采用的一种方案。但是锥型波导长度一般在几十甚至几百微米长，占用芯片面积大，不利于大规模集成。另一方面，由于硅波导的有效折射率对波长敏感，因此锥形波导的工作带宽受限，难以满足未来大带宽、多波段的场景使用。
为解决占用芯片面积大的问题，研究者们们引入梯度折射率结构，以周期性结构设计折射率分布，在不同宽度波导中实现光束转换的功能，为实现大规模集成奠定了坚实的基础，例如周期性的条形波导阵列、基于方形孔的超表面结构等。然而，这些结构都面临着两个问题：一是工作带宽受限，二是只能实现波导宽度上的一维模斑转换。如何在实现超大带宽的二维模斑转换的同时，兼顾占用芯片面积、插入损耗等性能，是当下面临的重要问题。
3. 创新研究
针对上述挑战，研究人员从周期性的超构表面出发，提出了实现大带宽、超紧凑、低损耗模斑转换的新方法。基于半麦克斯韦鱼眼透镜的折射率分布原理，研究者通过具有亚波长特征的周期性硅纳米柱阵列来设计超构表面中的梯度折射率分布（见图1）。得益于片上半麦克斯韦鱼眼透镜的折射率分布和成像特性，TE基模光场在220纳米厚、8微米宽的硅波导和60纳米厚、0.5微米宽的硅波导之间得以转换。除了光束转换的性能得到提升外，结构的各向异性、色散问题、材料选择、折射率的多维度变化等方面被讨论。尤为关键的是，研究人员通过色散理论对透镜结构进行分析，得出了改善透镜工作带宽的方法，大幅度减小了透镜的色差（见图2）。
图2 基于亚波长特征的周期性硅纳米柱阵列实现半麦克斯韦鱼眼透镜及其理论仿真结果
器件制备采用电子束曝光（EBL）、干法刻蚀等工艺，加工制备的器件如图3所示。透镜的长度仅为5.4微米，比传统的锥型波导结构要小一至两个数量级。实验中测试了透镜的传输谱，在340纳米的工作带宽内，插入损耗小于1 dB （见图4）。并且通过透镜的级联测试，研究人员拟合出单个透镜的插入损耗在O波段为0.9 dB，插入损耗在C波段为0.7 dB。
图3 片上GRIN超表面透镜的光学显微镜图和SEM图
图4 片上GRIN超表面透镜的实验传输谱
进一步地，团队不仅研究制备了片上GRIN超表面透镜用于片上不同宽度厚度波导之间的连接，且仿真验证了透镜用于光纤与芯片的端面耦合。由于片上GRIN超表面透镜光束聚焦特性对输入光的位置不敏感，因此，该透镜用于光纤与芯片的端面耦合时，具有较高的对准容差。除此之外，与以前的端面耦合器工作相比，所提出的 GRIN 超表面透镜也表现出超紧凑的占用芯片面积和超大带宽（见图5）。
图5 片上GRIN超表面透镜用于光纤到片上端面耦合的仿真结果
4. 应用与展望
研究团队提出了基于GRIN超表面结构的片上半麦克斯韦鱼眼透镜，利用具有亚波长特征的周期性硅纳米柱阵列来设计超构表面中的梯度折射率分布，实现了任意两个不同宽度厚度波导之间的片上连接。探索了提升透镜工作带宽的物理机理，有效地通过结构设计提升了GRIN超表面透镜的工作带宽。除此之外，光纤与芯片的耦合、结构的各向异性、材料选择、折射率的多维度变化等方面被研究讨论。这为片上波导连接和光纤与芯片的耦合提供了新的方案。
该研究成果以“Ultra-broadband on-chip beam focusing enabled by GRIN metalens on silicon-on-insulator platform”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别是Jian Shen, Yong Zhang, Yihang Dong, Zihan Xu, Jian Xu, Xueling Quan, Xihua Zou, Yikai Su，其中上海交通大学2020级博士研究生沈健为第一作者，张永副研究员为通讯作者，研究单位包括上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、上海交通大学先进电子材料与器件校级平台（AEMD）和西南交通大学信息科学与技术学院信息光子学与通信研究中心。该工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等项目的资助。
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