我院在硅基集成光子学方向取得一系列进展

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我院在硅基集成光子学方向取得一系列进展

2023-12-15

随着芯片制程的逐步缩小，传统的基于电子的微电子技术已经遇到了物理极限，摩尔定律面临失效的危机。硅基集成光子技术是一种利用硅基材料和工艺，将光电子器件集成在同一芯片上的新型半导体技术，其可利用现有成熟的CMOS微电子工艺实现高集成化芯片的制备，同时具有光子传输所特有的超高速率和带宽、超低功耗的优势，因此成为“超越摩尔”的新技术路径。当前硅基光子技术最直接的应用为数据通信和电信，但其在激光雷达、量子计算、光计算和医疗设备等新兴领域也展现巨大潜力。

我院程锐老师课题组致力于硅基集成光子学的研究，近期在该方向取得一系列进展。

集成起偏器和偏振分束器是硅光芯片系统中的基本元件，包括偏振复用系统、极化分集通信等。目前很多所报道的集成起偏器通过将某一偏振态的光进行反射，从而对该偏振态实现消除的目的。然而，反射式起偏器所造成的反射光会给光系统带来一些潜在的损害，如导致光源不稳定、反射信号与其它光信号发生干涉进而对输出光谱产生影响等。另外，目前所报道的硅光集成起偏器和偏振分束器也常常无法同时具有大工作带宽、高消光比、紧凑的尺寸等特性。针对这些问题，程锐课题组提出一种新型的反对称型、基于多模波导的啁啾“纳米梁”结构，并利用该种结构实现了大带宽、小尺寸、无反射光的、硅光芯片上的横磁场模式（TE）起偏器和偏振分束器（用于分离横磁场（TM）和横电场模式（TE）的光信号）（图1）。两种器件尺寸分别仅65×0.8 um²和53.7×1.26 um²，理论结果显示消光比大于20 dB的工作光带宽皆大于300 nm，实验结果显示起偏器的平均反射功率抑制比高达26.4 dB。相关研究结果以 “Broadband, compact and reflection-less silicon polarizer and polarization beam splitter using chirped anti-symmetric multimode nanobeams”为题，发表于《Optics Express》2023年第31卷第12期，程锐为该论文的第一作者和通讯作者。

图 1 （a）反对称型、基于多模波导的啁啾“纳米梁”结构示意图。（b）起偏器部分实验结果。（c）偏振分束器部分实验结果。

光信号上传下载滤波器在片上波分复用系统中占有非常重要的地位，其既可将特定波长信道的光信号上传至总线传输波导，也可将其从总线复用光信号中单独分离出来。目前最常用的光上传下载滤波器是基于光栅辅助型反向耦合器。然而，该类器件的光信号下载方向与总线传输方向相反，这使得往往需要使用长的弯曲波导将下载信号重新引至输出方向，这增加了光传输损耗，也增大了光路尺寸。针对这一问题，程锐课题组提出一种光下载方向与总线传输方向同向的新型光上传下载滤波器（图2）。该器件借助于模式转换型光栅辅助型反向耦合器，同时利用反对称型光子晶体反射器作为下载信号的模式转换器和反射器，首次在该类器件上实现了光下载与光传输同方向的目标，其在片上波分复用系统中具有很好的应用前景。相关研究结果以 “Forward-Dropping Contradirectional Coupler-Based Add-Drop Filter With Antisymmetric Photonic Crystal”为题，发表于《IEEE Photonics Technology Letters》2023年第35卷第20期，2021级硕士研究生孙荣磊为该论文的第一作者，程锐为该论文的通讯作者。

图 2（a）光下载与光传输同向的片上上传下载滤波器结构示意图。（b）所制作的集成光路的光学显微镜图和器件部分区域的扫描电子显微镜图。（c）仿真传输结果和和部分实验结果。

光栅辅助型反向耦合器在很多集成光子系统中都发挥着重要作用。如上文所提到的，其可在波分复用系统中作为光信号上传下载滤波器，另外也可作为集成波分复用器/解复用器、4端口滤波器、模式转换器等。然而，由于该器件中相互耦合的光学模式位于两根独立的波导之中，模式耦合强度一般较弱，因此通常很难获得较宽的工作带宽（常常仅几纳米宽）。这限制了其在需要大工作带宽场合中的应用。比如在波分复用系统之中，需要带宽宽于35 nm的波分复用器将C波段（约1529nm至1560 nm）从其它波段中分离出来。另外，宽带光学滤波器也可用于超宽带硅基光子的应用之中。使用周期啁啾可显著增加光栅辅助型反向耦合器的带宽，但同时也将大幅增加器件长度。针对这一问题，程锐课题组提出了一种新型的反对称多模光子晶体辅助型反向耦合器（图3）。该器件具有一维孔状光子晶体，使得波导具有大结构扰动；另外根据等效介质理论，一维光子晶体也可增大多模波导中扰动区域的等效有效折射率，使得相互耦合的两个光学模式光场分布更加发散。以上两个因素结合，可使得该器件具有很高的模式耦合强度，因此可提供显著更大的工作带宽。基于该器件，课题组实现了带宽宽至48.8 nm的硅光集成光栅反向耦合器，该带宽超出了之前所有报道的硅光非啁啾型光栅反向耦合器，同时器件长度仅22.3 um。相关研究结果以“Broadband, flat-top, silicon photonic contra-directional couplers assisted by asymmetric multimode photonic crystals”题，发表于《IEEE Photonics Journal》2023年第31卷第22期，2021级硕士研究生孙荣磊为该论文的第一作者，程锐为该论文的通讯作者。

图 3(a) 反对称多模光子晶体辅助型反向耦合器结构示意图。（b）器件理论光谱响应和传输光场。（c）所制作的集成光路的光学显微镜图、器件部分区域的扫描电子显微镜图、器件实验光谱响应。

在硅光芯片中，可通过热光效应，利用集成加热器对光波导的有效折射率进行控制，进而实现光子器件的动态调控。该原理是目前一系列可调谐集成光子器件的基础，包括高速光开关、可调光子滤波器、大规模光交换网络等。硅光波导的折射率随着温度变化的灵敏度接近于硅材料的热光系数，即为一个相对固定的值。程锐课题组研究发现在亚波长光栅波导中，光学模式的热光系数大小将受到波导结构参数变化的影响，且对于不同的光模式，其热光系数受波导结构参数的影响规律也完全不同。这一发现揭示了可通过改变亚波长光栅波导的结构，对单个或多个光学模式的热光系数进行自由地调控，这为未来热调集成光子器件的设计提供很多全新的可能，包括实现温度不敏感集成光子器件、模式不敏感集成热相移器、对集成光子器件实现热功耗优化等。为了验证该发现潜在的应用，该课题组进一步通过设计亚波长光栅波导，实现了0至2阶横电模（即TE₀，TE₁，TE₂模式）不敏感的热移相器，并基于此实现了0至2阶横电模模式不敏感的高速集成光开关（图4）。实验结果显示光开关的转换功耗仅约29 mW，且对于TE₀，TE₁，TE₂三种模式，“开“和“关”之间的消光比分别高于31 dB，37 dB，20.5 dB，器件尺寸仅1133×47 um²。相关研究结果以“Mode thermo-optic coefficient engineering of sub-wavelength gratings and its application for a mode-insensitive switch”题，发表于《Optics Express》2023年第31卷第22期，2021级硕士研究生王文康为该论文的第一作者，程锐为该论文的通讯作者。

图 4（a）具有不同结构参数的亚波长光栅波导的布洛赫模式分布变化。（b）所制作器件部分区域的扫描电子显微镜图和实际集成光路的光学显微镜图。（c）模式不敏感光开关的部分实验测试结果。

传统的集成光子器件设计依靠正向设计方法，通过手动变化或扫描单个或多个器件参数，对器件进行设计、优化。然而该方法通常需要经过长时间的反复计算，效率较低，同时可设计的自由度有限，无法最大化器件的性能。近些年来，逆向设计理念被广泛用于集成光子器件的设计、优化。该方法根据期望的功能特性，通过逆向设计算法智能地优化出对应目标物理响应的物理结构，不但大大提高设计效率，也突破传统设计在空间结构上的束缚，能够在全空间去寻找最优结构，进而更易实现优越、紧凑的集成光子器件。另一方面，模分复用指的是在同一根光波导中同时传输多个光学模式的光信号，该技术可用于硅光芯片系统中显著增加信息传输的带宽和速率。在模分复用系统中，模式复用器/解复用器为不可缺少的器件，其性能将直接决定整体通信系统的可靠性。程锐课题组提出通过逆向设计方法，对非对称“Y“分支结构的波导边缘形状进行优化，实现了同时具有超小尺寸、宽带宽、低串扰的硅基光子集成模式复用器/解复用器（图5）。该工作中分别实现了TE0 和TE1，和TE0 和TE2两种模式复用器/解复用器，两种器件尺寸分别仅4.5 × 1.2 um²和6 × 1.4 um²，实验结果显示工作带宽均大于100 nm，且串扰均小于-15 dB。相比于近些年所报道的硅基光子模式复用/解复用器，该工作所提出的器件在尺寸、带宽、串扰水平、制作难易度等多方面上具有整体优势，在硅光模分复用系统中具有很好的应用前景。相关研究结果以“Inverse design of asymmetric Y-junctions for ultra-compact, broadband, and low crosstalk mode (de)multiplexers”题，发表于《Optics Express》2023年第31卷第22期，2021级硕士研究生汪琪为该论文的第一作者，程锐为该论文的通讯作者。

图 5（a）初始和逆向设计后的非对称“Y”分支结构图。（b）逆向设计迭代过程中非对称“Y”分支结构演变。（c）初始和逆向设计后的非对称“Y”分支的模式复用/解复用性能对比。

以上工作得到了国家重点研发计划（2021YFB2801500）、国家自然科学基金（62105089）等项目的资助。合肥工业大学仪器科学与光电工程学院均为第一单位。合作单位包括南京航空航天大学微波光子学实验室、重庆联合微电子中心等。