新型的二硒化鉑-硅基異質(zhì)集成波導(dǎo)模式濾波器

近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的光子芯片實(shí)驗(yàn)室與深圳大學(xué)、香港中文大學(xué)等高校合作，研發(fā)了一個(gè)新型的二硒化鉑-硅基異質(zhì)集成波導(dǎo)模式濾波器，成果以“Waveguide-integrated spatial mode filters with PtSe2nanoribbons”為題，發(fā)表在《Nanophotonics》期刊上。

為滿足通信帶寬快速增長(zhǎng)的需求，研究人員對(duì)模分復(fù)用（Mode-division multiplexing, MDM）技術(shù)進(jìn)行了廣泛探索。另一方面，基于二維材料-硅基異質(zhì)集成光電器件具有寬光譜響應(yīng)、可調(diào)諧帶隙、高工作帶寬等優(yōu)點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)新型光電集成器件的熱門研究方向之一。迄今為止，許多二維材料-硅基異質(zhì)集成光電器件（如光源、調(diào)制器和探測(cè)器等）已然相繼被報(bào)道，并展示出優(yōu)異的性能。然而，針對(duì)MDM應(yīng)用的二維材料異質(zhì)集成光電器件仍停留于理論研究階段，相關(guān)實(shí)驗(yàn)很少被報(bào)道。

在本項(xiàng)工作中，研究者們將二硒化鉑（PtSe2）納米帶集成到具有深亞波長(zhǎng)厚度的超薄硅基波導(dǎo)上，實(shí)現(xiàn)了在短波中紅外波段的高效空間模式濾波。圖1a為基于二硒化鉑納米帶集成波導(dǎo)的空間模式濾波器的原理圖，分別是濾除橫電基本模式（TE0）、保留橫電一階模式（TE1）的TE1模式濾波器，以及濾除TE0模式、保留橫電二階模式（TE2）的TE2模式濾波器。兩種器件皆由6 nm厚的十層PtSe2納米帶和70 nm厚的硅波導(dǎo)組成，是硅-絕緣體（silicon-on-insulator, SOI）晶圓利用CMOS工藝、二維材料濕法轉(zhuǎn)移工藝和納米圖案裁剪工藝制備而成。非定向耦合器用于TE0模式和TE1、TE2模式之間的能量轉(zhuǎn)換。圖1b和圖1c展示了兩種空間模式濾波器的三維圖和截面圖。通過(guò)設(shè)計(jì)PtSe2納米帶的幾何尺寸和位置，與TE0模式電場(chǎng)高度重疊卻基本不與高階模式發(fā)生相互作用，這使得TE0模式被大量吸收而高級(jí)模式得以保留。

圖1.二硒化鉑-硅基異質(zhì)集成波導(dǎo)模式濾波器的示意圖。(a) TE1模式濾波器和TE2模式濾波器的原理圖。器件包括輸入單模波導(dǎo)、非對(duì)稱定向耦合器和與PtSe2納米帶集成的多模波導(dǎo)。(b) TE1模式濾波器和(c) TE2模式濾波器的三維圖和截面圖。

所研發(fā)的空間模式濾波器的表征和測(cè)試結(jié)果如圖2所示。圖2a和圖2b展示了TE1模式濾波器和TE2模式濾波器的掃描電鏡圖像。光柵耦合器用于將TE0模式的光耦合進(jìn)和耦合出超薄硅波導(dǎo)。多模波導(dǎo)兩側(cè)的絕熱錐在連接多模波導(dǎo)和單模波導(dǎo)的同時(shí)能不改變光模式。此外，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)無(wú)任何損壞，PtSe2納米帶形狀完整、顏色清晰，表明器件具有極高的制備質(zhì)量。圖2c和圖2d顯示了測(cè)量的TE1模式濾波器和TE2模式濾波器在2200 nm波長(zhǎng)附近的歸一化透射率。由于PtSe2納米帶的尺寸和位置經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，PtSe2納米帶與超薄波導(dǎo)內(nèi)的TE0模式倏逝場(chǎng)有明顯的重疊，TE0模式的光損耗超過(guò)15 dB。兩種空間模式濾波器分別實(shí)現(xiàn)了高達(dá)12 dB的TE1-to-TE0模式消光比和高達(dá)14.5 dB的TE2-to-TE0模式消光比。

圖2.二硒化鉑-硅基異質(zhì)集成波導(dǎo)模式濾波器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a) TE1模式濾波器的SEM圖。(b)TE2模式濾波器的SEM圖。(c) TE1模式濾波器和(d) TE2模式濾波器不同端口的歸一化透射率。

本論文第一作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的博士生許天平和邢正錕，通信作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(62161160335, 62175179,62475188)、天津市自然科學(xué)基金(23JCJQJC00250)和廣東省自然科學(xué)基金(2022B1515130002, 2023A1515011189)的項(xiàng)目支持。