Advanced Optical Materials:基于超表面结构的紧凑型硅波导模式转换器件

超表面材料是具有亚波长特征的二维结构人造材料,可以有效地控制光束的相位、幅度和偏振。将超表面结构引入到集成光波导上,有助于实现超紧凑的新型光子集成功能器件。在大容量光通信领域,各类复用技术不断革新。模式复用技术作为一种正在开发利用的新复用维度,将成为超大容量光通信发展的趋势。多种片上模分复用器件已经在绝缘体上硅(SOI)平台上被实现。然而,这些结构依然面临着尺寸大,工作带宽窄和插入损耗高等挑战。

近日,上海交通大学苏翼凯教授课题组提出并用实验证明了采用全介质超表面结构可以实现紧凑的硅波导模式转换器件。他们利用在硅波导上刻蚀出具有倾斜的亚波长扰动的结构,因此模式耦合系数会沿着传播方向变化,而这种扰动可以有助于模式转换过程。并且,他们提出的波导模式转换器设计方案可以通过改变器件参数来实现基模到任意高阶波导模式的转换。他们通过实验演示了采用全介质超表面结构的两个硅波导模式转换器的工作特性,它们可以分别将TE0模式转换为TE1模式和TE2模式。对于TE0-TE1和TE0-TE2波导模式转换器,模式转换长度分别为5.75μm和6.74μm。对于TE0-TE1模式转换器,转换损耗低于1dB,并且在1542nm~1563nm的波长范围内串扰值低于-10dB。对于TE0-TE2模式转换器,在1545nm~1565nm的波长范围内可实现<0.5dB的转换损耗和<-10dB的串扰值。他们展示的波导模式转换器件为操纵片上光学模式提供了一种简易紧凑的新结构和方法,并可以在片上集成模分复用光通信和光学信号处理系统中得到应用。

相关文章发表在Advanced Optical Materials(DOI:10.1002/adom.201801191)上。

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