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浙江大學戴道鋅團隊:超高Q硅基跑道型微腔

摘要:硅光波導微腔是硅光領域的核心結構之一,對于實現光濾波、激光器、光調制器、光開關、全光調控器件等功能至關重要。眾所周知,更高Q值的突破一直是微腔領域的基礎問題,也是決定其能否滿足應用需求的關鍵因素。

  ICC訊 硅光波導微腔是硅光領域的核心結構之一,對于實現光濾波、激光器、光調制器、光開關、全光調控器件等功能至關重要。眾所周知,更高Q值的突破一直是微腔領域的基礎問題,也是決定其能否滿足應用需求的關鍵因素。然而,利用標準工藝制作的硅光波導往往由于存在較強側壁散射而具有較大傳輸損耗(>1 dB/cm),致使硅光波導微腔Q值一直很難突破106。

  浙江大學光電科學與工程學院的戴道鋅教授團隊突破了單模條件設計框架,設計出一種基于均勻寬波導模場調控的超高Q跑道型微腔。首先,通過創新性地引入特殊的歐拉曲線型彎曲寬波導,在獲得超小等效彎曲半徑的同時,成功避免了腔內模間交叉耦合,有效保證了寬波導中基模的單模傳輸;其次,采用非對稱彎曲耦合結構,基于相位匹配原理,獲得了足夠強的基模耦合,并幾乎完全抑制了寬波導中高階模的激發。

  在此設計中,通過寬波導模場調控的方法顯著降低了側壁散射損耗,獲得了超低損耗的基模光場傳輸,從而實現超高Q硅基跑道型微腔。此外,該設計無需任何特殊工藝,具有完全的工藝兼容性。在該工作中,采用標準流片工藝成功研制了本征Q高達2.3×106的硅基跑道型微腔,其彎曲部分等效半徑Reff僅29 μm、自由光譜范圍FSR為0.9 nm,是目前報道最小尺寸的Q>106的硅光波導微腔。

超高Q硅基跑道型微腔

  戴道鋅教授認為,該工作提出了一種實現高性能硅光器件的新設計思路,對突破光濾波器、非線性器件等關鍵器件的性能瓶頸具有重要意義。此外,該設計思路具有極好的擴展性,可推廣至氮化硅、鈮酸鋰等其它體系光波導結構,這也是下一步工作的重點之一,未來還將積極推進該類器件更廣泛的應用。

  Photonics Research 主編華盛頓大學楊蘭點評:

  硅基光電子器件是集成光學芯片的核心之一。集成電路的廣泛應用,以及光學器件本身在傳感、通訊、激光、成像等眾多領域不可或缺的地位,彰顯了其結合集成技術實現低功耗、多功能光學器件的前景。

  在各類硅基光子器件里,光學微腔擁有非常特殊的地位,這源于其多功能性及一些獨有的物理特性。與傳輸光信號的硅基波導相比,光學微腔更像是一個模塊(building block),利用不同設計的微腔可以有效地把光局限在指定的體積里,通過光和物質的相互作用實現一系列特定的功能,比如傳感器、硅基激光光學陀螺儀、集成光源、調制器等等。

  在設計微腔的時候,如何設計結構形狀以及如何把光能導入到特定的模式里,需要根據不同需求進行考量。硅基微腔可以有不同的形式,常用的是環形腔(ring resonators),也可以是盤狀(disk resonators),或者跑道型(racetrack resonators),甚至變形腔(deformed resonators)。

  微腔的一個重要指標是品質因子(Quality factors),它和光子在微腔里的壽命(lifetime)成正比。品質因子越高,光子壽命越長,光子在微腔中和物質的相互作用也越強,相應的效應(例如非線性效應)就會更強。例如微腔里的非線性克爾效應可以用來產生可用于高精度測量的光頻梳。如何通過特殊的設計來實現選擇性激發特定的光學模式,同時能保持微腔的高品質,是一個非常有意義的問題。

  針對這個問題,浙江大學光電科學與工程學院的戴道鋅教授團隊報道了超高Q硅基跑道型微腔的研究成果。這篇文章被選為Photonics Research 2020年第5期的封面文章。

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