基于各向异性超材料的超宽带硅基偏振分束器

硅波导具有模场尺寸小、传输损耗低、加工工艺CMOS兼容等特点,近年来受到广泛关注。但是,硅基纳米波导通常具有较强的双折射,导致绝大多数硅基微纳光子器件具有偏振敏感性。为了解决硅基微纳光子器件的偏振敏感性问题,通常需要利用偏振分束器将输入光的TE偏振态与TM偏振态分离,使得所有功能器件均工作在单一偏振态下。硅波导偏振分束器是一种重要单元器件,实现低损耗、高消光比、大带宽的偏振分束器仍是一项挑战性的工作。

浙江大学光电科学与工程学院、现代光学仪器国家重点实验室时尧成教授课题组提出一种基于各向异性超材料的新型硅基偏振分束器,工作带宽超过200 nm,可同时覆盖S、C、L、U波段,打破了传统硅基偏振分束器的工作带宽限制。这种新型偏振分束器由两种不同光轴取向的亚波长光栅超材料拼接构成平板结构(图a)。TM偏振态在两种光轴取向的超材料中具有相同的等效折射率,因此平板结构在TM偏振态下表现为多模干涉耦合器,输入光将耦合至对侧输出端口(图b)。而TE偏振态在两种光轴取向的超材料中的等效折射率不同,因此平板结构在TE偏振态下表现为一对隔离波导,输入光将不发生耦合(图b)。利用这一构型实现的偏振分束器具有对称的模场分布,因此相位匹配条件对于任意波长均自然满足。在此基础上,研究人员还对亚波长光栅超材料的色散特性进行调控,从而有效降低了耦合长度色散。研究人员利用电子束曝光与干法刻蚀工艺,在SOI平台上制作实现了这一结构,测试结果(如图c)显示,在215 nm的带宽范围内(波长1.46 μm至1.675 μm),获得低损耗(< 1 dB)及高偏振消光比(> 20 dB)。这一结构实现的> 200 nm工作带宽是硅基偏振分束器的最高记录,研究人员相信这一结构可以用于消除超大容量波分复用系统的偏振敏感性,并为超宽带偏振分束器设计提供了新的思路。相关论文在线发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.201800349)上。