撰稿|课题组供稿
片上偏振操控技术在提高光互联性能方面发挥着关键作用，它可以使数据传输容量成倍增长，控制光子集成回路中的偏振态，是集成光芯片的重要组成部分。因此，实现具有大带宽、低插入损耗和紧凑尺寸的偏振操控器件对于未来大规模的光子集成具有重要意义。在偏振操控器件中，偏振旋转分束器(Polarization splitter rotator，PSR)被用于分离波导中的TE和TM偏振，并将分离的TM偏振旋转为TE偏振；偏振旋转器(Polarization rotator，PR)被用于实现TE偏振和TM偏振的转化；起偏器(Polarizer)被用于过滤光波导中的一种偏振状态，而允许另一偏振状态通过。目前，虽然硅基平台上已经报道了许多性能优异的偏振操控器件，但受限于加工工艺技术，在铌酸锂平台上的相关工作较少。
光子超材料波导作为周期性介质波导的一种，波导结构对其中传播的光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或者波导的物理结构来实现的。因其在器件设计中提供了更多的灵活性，以及对光的强大的操控能力，近年来受到了研究人员的广泛关注。光子超材料结构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超材料结构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，现阶段铌酸锂薄膜的刻蚀仍然面临挑战。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，因此难以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。
鉴于此，兰州大学物理科学与技术学院田永辉教授课题组与澳大利亚皇家墨尔本理工大学（RMIT）Arnan Mitchell教授课题组合作，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兼容工艺刻蚀氮化硅层可以得到氮化硅-铌酸锂异质脊型波导，并在此平台基础上提出了基于光子超材料的偏振操控器件，如图1所示。
图1.（a）基于光子超材料的偏振旋转分束器。（b）基于光子超材料的偏振旋转器。（c）基于光子超材料的起偏器。（d）偏振操控器件的显微镜图及扫描电子显微镜图像。
引入光子超材料的优势在于:(1) 控制不同偏振光的耦合状态，(2) 提供垂直方向的非对称性，(3) 减少非连续界面的辐射损耗和(4) 可以灵活的操纵折射率。通过优化超材料的结构参数可以实现超大带宽，低损耗，紧凑的偏振操控器件。仿真结果表明：对于PSR，在1515 nm-1600 nm波长范围内插入损耗小于1.15 dB，消光比大于29 dB；对于PR，在1515 nm-1675 nm波长范围内插入损耗小于0.82 dB，消光比大于15 dB；对于起偏器，在1200 nm-2000 nm波长范围内插入损耗小于1.05 dB，消光比大于21 dB，如图2所示。器件的静态测试结果显示，在1515 nm-1600 nm的宽波长范围内，PSR的插入损耗小于1.83 dB，消光比大于20 dB；PR的插入损耗小于1.07 dB，消光比大于14 dB；起偏器的插入损耗小于1.75 dB，消光比大于20 dB，如图3所示。器件静态测试结果与仿真结果基本吻合，验证了基于超材料结构的偏振操控器件的有效性。
图2.所提出的（a）偏振旋转分束器, （b）偏振旋转器，（c）起偏器的模拟传输光谱。
图3.所提出的（a）偏振旋转分束器, （b）偏振旋转器，（c）起偏器的测试传输光谱。
该工作提出并演示了一种在氮化硅-铌酸锂平台上实现的基于超材料结构的偏振操控器件，在保持器件面积紧凑的前提下解决了现有薄膜铌酸锂平台偏振操控器件插入损耗大，消光比低的问题。这些光子超材料可能在非线性光学、自旋光学、负折射率和零折射率材料等领域的各种应用中具有巨大的发展潜力。这项工作有望为基于LNOI平台的光子超材料器件铺平道路。
该成果以“Photonic metamaterial-inspired polarization manipulating devices on etchless thin film lithium niobate platform”为题发表在Laser & Photonics Reviews期刊。兰州大学田永辉教授，皇家墨尔本理工大学任光辉研究员为论文共同通讯作者，硕士研究生廖洪涛为论文第一作者，对论文具有突出贡献的合作者还包括兰州大学青年研究员肖恢芙、袁明瑞，兰州大学萃英博士后蒋永恒，阿德莱德大学Andreas Boes教授，皇家墨尔本理工大学Arnan Mitchell教授等。
文章链接：
https://doi.org/10.1002/lpor.202400381
