撰稿|由课题组供稿
近日，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授、宋清海教授课题组，提出基于非对称亚波长狭缝阵列构建的波导束缚态，实现高集成度的超宽带多模交叉波导。文章提出利用一种非对称亚波长相逢阵列的结构，在波导交叉处构建光波导束缚态，有效抑制了正交方向的辐射泄漏。该结构具有波长不敏感、模式透明、尺寸紧凑等优势，为实现高性能宽波段多模交叉波导提供了一种新方案。所设计的三横电模式（TE0- TE2）交叉波导器件尺寸仅为5.05 μm×5.05 μm，工作带宽超过700 nm，覆盖了1.55 μm至2 μm波段，是已报道多模交叉波导的最大光学带宽。该设计也可通过改变结构参数从而支持TM偏振的多模工作状态，并可以扩展至任意高阶模式，为超宽带多模式的片上光子回路提供了关键器件。该研究成果以“Ultra-Broadband Multimode Waveguide Crossing via Subwavelength Transmitarray with Bound State”为题于2023年2月7日在线发表在《Laser & Photonics Reviews》上。
多模集成光路的布线不可避免会遇到波导交叉的情况。低损耗、低串扰、小尺寸的多模交叉波导可以显著减小芯片面积，提高布线灵活性，是片上光互连的关键器件之一。理想的波导交叉单元能让不同波导在交叉时，光信号仍能无损耗地通过且互不干扰。但在绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）平台中，由于硅和二氧化硅的材料折射率差异较大，且硅波导的尺寸较小，波导交叉区域会产生较强的衍射效应，使光场能量不再沿初始波导方向传播，而是在交叉位置向交叉波导扩散，造成损耗和串扰。高阶模式和更长的波长往往容易产生更强的衍射，加剧性能劣化。因此，如何在较宽的工作带宽下保证各阶模式都能实现低损耗和低串扰的传输是一项很大的挑战。目前国际上已报道多种方案，采用多模干涉结构、单模交叉波导网络、超构波导、麦克斯韦鱼眼准直/聚焦透镜等多种新结构设计，但受限于其工作原理和结构，普遍存在插入损耗大、串扰大、器件尺寸大、模式通道数受限、光学带宽受限等问题。
文章提出，如果在波导交叉的连接处设计一种能降低交叉区域边缘有效折射率的结构，就能让直通波导形成束缚态，使光沿既定方向传播的同时，有效抑制波导交叉处引起的光束衍射，减少横向辐射损耗。但由于交叉波导结构上的对称性，亚波长狭缝阵列在每个端口处的设计应保持一致。故该结构在保证正交方向上具有低效折射率的同时，沿传播方向还需具有高透射率。如图1 (a)所示，作者提出了一种非对称的亚波长狭缝阵列，它在传播方向（x方向）具有高透射率，同时其低折射率的特性能够有效抑制其在正交方向（y方向）的辐射泄漏。为了进一步改善狭缝由于折射率突变引入的反射损耗，在普通的矩形狭缝的两端引入圆形末端设计，构成具有圆角轮廓的狭缝。从而通过形成局域折射率渐变，减小了结构反射，进一步提高了阵列的透射率。如图1 (c)-(d)所示，团队验证了标准SOI平台下，不同刻蚀宽度和刻蚀深度下带有圆角优化的亚波长狭缝阵列的透射率，且该透射率和光的偏振模式有关。值得注意的是，对于横磁（Transverse Magnetic，TM）模光场采用全刻蚀狭缝阵列，只要保证占空比（Filling factor）较小即可获得比较好的透射率，故我们采用全刻蚀狭缝对支持TM模式的交叉波导结构进行优化。而在横电（Transverse Electric，TE）模偏振下，全刻蚀狭缝阵列的透射率较低，故我们采用浅刻蚀狭缝阵列以优化支持TE模式的交叉波导。
图1 基于亚波长狭缝阵列的多模交叉波导原理图(a) 基于亚波长狭缝阵列的交叉波导示意图; (b) 亚波长狭缝阵列的横截面;(c)-(d) 不同占空比和刻蚀深度下TE和TM模式下亚波长狭缝阵列结构的透射率;(e)-(f) 不同占空比和刻蚀深度下TE和TM模式下亚波长狭缝阵列的有效折射率
团队对狭缝阵列结构的周期，占空比，长度和锥度等参数进行优化，最终设计的支持三个TE（TE0 - TE2）模式交叉波导在1400 nm-2100 nm共700 nm的波长范围内插入损耗均小于0.77 dB，模间串扰均小于-30 dB。支持三个TM（TM0 - TM2）模式模式交叉波导在1400 nm-1700 nm共300 nm的波长范围内插入损耗均小于0.57 dB，模间串扰均小于-25 dB。同时我们利用电子束光刻技术对器件进行了制备。测试结果表明，3TE模式交叉波导在1480 nm-1530 nm和1950 nm-2030 nm的波长范围内，插入损耗小于0.91 dB；3TM模式交叉波导在1510 nm-1590 nm的波长范围内，插入损耗小于0.74 dB。
图2 支持3TE交叉波导狭缝阵列交叉波导测试系统和测量结果(a) TE光栅显微镜图; (b) 多模交叉波导测试系统的显微镜图;(c) 基于亚波长狭缝阵列的三TE模式交叉波导电镜伪色图;(d) - (f) TE0 - TE2模式归一化测试透射光谱。
图3 支持3TM交叉波导狭缝阵列交叉波导测试系统和测量结果(a) TM光栅显微镜图和电镜伪色图; (b) 多模交叉波导测试系统的显微镜图;(c) 基于亚波长狭缝阵列的三TM模式交叉波导电镜伪色图;(d) - (f) TM0 - TM2模式归一化测试透射光谱。
本文提出采用非对称亚波长狭缝阵列，使得波导交叉处形成束缚态模式，从而使得各阶光学模式在宽波段范围内都能低损耗通过波导交叉处。所设计的TE0-TE2模式交叉波导实现了700 nm超大带宽，覆盖了传统光通信C波段和近年来新兴的2 μm波段。论文补充材料中通过仿真证明所提出的结构可以很容易地扩展到更高阶模式，可支持10个甚至更多的模式，且不会牺牲器件光学带宽。该设计结构简单，与标准硅光子制备工艺完全兼容，为高性能多模集成光子回路提供了关键器件。
哈尔滨工业大学（深圳）的硕士生郭晓媛，博士生王梓和博士生张尧为论文的共同第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授和宋清海教授为论文共同通讯作者，哈尔滨工业大学（深圳）为通讯单位。该研究得到了国家自然科学基金，广东省自然科学基金，深圳市科创委基础研究项目的支持。
论文链接
https://doi.org/10.1002/lpor.202200674
徐科，哈尔滨工业大学（深圳）电子与信息工程学院教授，博导。曾获IEEE光子学会博士奖，香港青年科学家奖等奖励，入选广东省杰青、深圳市优青。研究方向包括集成光学，硅基光电子学等，以第一/通讯作者在Nature Communications、Laser & Photonics Reviews等杂志发表论文40余篇，H-index为28，成果入选ESI高被引论文、OFC Top-scored论文、中国光学十大进展。课题组现诚聘博士后，提供有竞争力的薪资待遇、充足的科研支持、优良的工作环境，以及境内外合作交流机会。有意者请联系徐老师（kxu@hit.edu.cn）。
宋清海，哈尔滨工业大学（深圳）理学院教授，博导，副院长。中组部青年千人，国家基金委杰出青年基金入选者。研究方向为微纳光学，共发表SCI论文200余篇，包括Science 3篇、Physical Review Letters 8篇、Nature Communications 8篇。其中，2项成果先后获评2019年度和2021年度中国光学十大研究进展；完成的工作近5年来他引超过5500余次。获得2011 年黑龙江省高校科学技术奖（一等奖），2013年哈尔滨市自然科学技术学术成果奖（一等奖），2007年全国百篇优秀博士论文提名奖、上海市优秀论文奖、深圳市青年科技奖。任Light: Science&Applications编委、Advanced Photonics Nexus编委。课题组现诚聘博士后，提供有竞争力的薪资待遇、充足的科研支持、优良的工作环境，以及境内外合作交流机会。有意者请联系宋老师（qinghai.song@hit.edu.cn）。
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