Advanced Optical Materials:高分辨率的三维光波导器件

如今的光子集成电路(PIC)在很大程度上被认为是只可以在单一平面传播光的平面结构。这种平面性的限制来源于其制造工艺,即光刻技术(如电子束光刻、激光光刻)和蚀刻技术(干式蚀刻、湿式蚀刻)。这些都是”减法”制造技术,在自上而下的光照作用下,将设计的结构借助光刻胶转移到基片上,即意味着设计者从一个原材料开始(高折射率的半导体材料),选择性地去除其中的一部分,以形成光子集成电路(PIC)。

现有一种新兴的光子集成电路(PIC)实现技术,即三维多光子光刻技术。它利用增材制造的概念,将飞秒光源聚焦到材料的特殊位置,启动双光子聚合,以实现高分辨率的三维光子结构。这种技术摆脱了自上而下曝光的限制。

新加坡科技设计大学的研究人员利用三维多光子光刻技术展示了超越单一平面限制且高分辨率的三维波导。在最近发表在《先进光学材料》上的论文中,高宏伟博士、陈至慧教授和光子器件与系统组的同事们展示了高分辨率的三维螺旋波导和气桥结构耦合器,它能使光以螺旋方式传播。其中,光纤-波导耦合器的耦合损耗仅为1.6dB,3dB带宽超过60nm。除了这些新颖的器件,他们还设计并加工了极低损耗的三维光栅和亚微米尺寸的环形谐振腔。

“我们设计并加工的光子器件是在光子集成电路领域的创新性进展,并且我们还展示了光在这些波导中的30Gb/s NRZ和56Gb/s PAM4无误数据传输。这一点非常重要,因为这些高速测试模式和速率与当今商业直接检测收发器产品中使用的模式和速率是一致的。”新加坡科技设计大学光子器件与系统组负责人陈教授解释说。

事实上,我们制造的三维波导成功演示了高速、无误的传输,表明了它们作为低损耗波导和光互连的适用性。在这些实验中,NRZ的小功率损失为0.7 dB(误码率(BER)=10-12),PAM4的小功率损失为1.5 dB(BER=10-6)。

“这些高质量的三维波导使我们能够超越传统平面结构的限制。通过这种方式,可以实现更高密度的光子集成电路(PIC)。而且,高分辨率、亚微米级的特征尺寸,在实现光谱滤波、谐振器结构和超表面等高级功能方面也很有希望。”论文第一作者高博士说。

研究者相信,未来这种实现高分辨率三维光子结构的能力可能会在光子学的形式和功能上取得更多的进步,包括先进的光信号处理、成像技术和光谱系统。

相关工作在线发表在Advanced Optical Materials上。(DOI:10.1002/adom.202000613)