中紅外偏振不敏感光柵耦合器件

近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組研發(fā)了一種中紅外偏振不敏感光柵耦合器件，成果以“Mid-infrared polarization-insensitive grating coupler”為題，2022年10月12日發(fā)表在《Optics Letters》期刊上。

中紅外波段(2-20微米)覆蓋了三個大氣透明窗口和豐富的分子特征吸收光譜范圍，在自由空間光通信、光測距、分子探測等方面有著廣泛的應用，開發(fā)波導集成的中紅外硅基光子器件是近年來的一個熱門研究方向。針對中紅外波導耦合，研究者開發(fā)了多種光柵耦合器件，但對入射光的偏振均較敏感。由于硫系化物或ZBLAN材料機械特性較脆弱，開發(fā)基于硫系化物光纖或ZBLAN光纖的偏振控制器具有一定難度，為光柵耦合器在長波長區(qū)域的使用帶來了困難。因此，在中紅外波長范圍內(nèi)探索偏振不敏感光柵耦合技術(shù)具有重要意義。然而，目前相關(guān)技術(shù)尚不成熟。

在本項工作中，研究者們研發(fā)了一種超薄的中紅外偏振不敏感光柵耦合器件，實現(xiàn)了厚度僅為約50 nm的懸空亞波長包層波導的偏振不敏感光場高效耦合。如圖1a所示，二維偏振分束的光柵耦合器將光纖中的任意偏振光分離成在芯片上沿兩個相互垂直方向傳播的TE0模偏振光。圖1a的插圖展示了基模電場在光柵耦合器和波導內(nèi)的分布。圖1b顯示了光柵的俯視圖。通過兩組一維聚焦線的疊加得到二維的聚焦光柵設計。圖1c顯示了亞波長光柵包層波導的截面圖。

圖1.中紅外超薄硅基偏振不敏感光柵耦合器件示意圖。(a)超薄偏振不敏感光柵耦合器與超薄亞波長光柵包層波導的三維示意圖，插圖為基模電場在波導和光柵耦合器內(nèi)的分布;(b)超薄偏振不敏感光柵耦合器的俯視圖;(c)超薄亞波長光柵包層波導的截面圖。

所研發(fā)的超薄偏振不敏感光柵耦合器和超薄亞波長光柵包層波導器件的表征和測試結(jié)果如圖2所示。圖2a為整個器件的掃描電鏡圖，圖2b是光柵耦合器的掃描電鏡圖。由圖可見，盡管器件底部的氧化埋層也被完全除去，但器件沒有任何損壞和塌陷，這表明器件具有良好的機械穩(wěn)定性。圖2c顯示了超薄偏振不敏感光柵耦合器的仿真與測試結(jié)果，實驗測得光柵耦合器在中心波長2200 nm處的耦合效率為-11.5 dB，1-dB帶寬為148 nm，該結(jié)果與50 nm厚的偏振不敏感光柵耦合器的仿真結(jié)果相吻合。圖2d顯示了超薄偏振不敏感光柵耦合器與普通亞波長光柵耦合器的峰值耦合效率與入射光偏振狀態(tài)的關(guān)系(偏振相關(guān)損耗)。實驗結(jié)果表明，超薄偏振不敏感光柵耦合器的偏振相關(guān)損耗為2.1 dB，明顯優(yōu)于普通SWG耦合器9.6 dB的結(jié)果。另外，文章還報道了波長在2700 nm處的光柵耦合器的實驗測量結(jié)果。

圖2.中紅外超薄偏振不敏感光柵耦合器和超薄亞波長光柵包層波導器件的表征和測試結(jié)果。(a)器件整體的掃描電鏡圖;(b) 光柵耦合器的掃描電鏡圖;(c)中紅外超薄偏振不敏感光柵耦合器的仿真和測試結(jié)果;(d) 峰值耦合效率與入射光偏振狀態(tài)的關(guān)系。

本論文共同第一作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的碩士生高浩然和博士生郭榮翔，通信作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授和博士生郭榮翔。該工作得到了國家自然科學基金(62161160335, 62175179)項目的支持。

審核編輯：湯梓紅