中红外偏振不敏感光栅耦合器件

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授与刘铁根教授课题组研发了一种中红外偏振不敏感光栅耦合器件，成果以“Mid-infrared polarization-insensitive grating coupler”为题，2022年10月12日发表在《Optics Letters》期刊上。

中红外波段(2-20微米)覆盖了三个大气透明窗口和丰富的分子特征吸收光谱范围，在自由空间光通信、光测距、分子探测等方面有着广泛的应用，开发波导集成的中红外硅基光子器件是近年来的一个热门研究方向。针对中红外波导耦合，研究者开发了多种光栅耦合器件，但对入射光的偏振均较敏感。由于硫系化物或ZBLAN材料机械特性较脆弱，开发基于硫系化物光纤或ZBLAN光纤的偏振控制器具有一定难度，为光栅耦合器在长波长区域的使用带来了困难。因此，在中红外波长范围内探索偏振不敏感光栅耦合技术具有重要意义。然而，目前相关技术尚不成熟。

在本项工作中，研究者们研发了一种超薄的中红外偏振不敏感光栅耦合器件，实现了厚度仅为约50 nm的悬空亚波长包层波导的偏振不敏感光场高效耦合。如图1a所示，二维偏振分束的光栅耦合器将光纤中的任意偏振光分离成在芯片上沿两个相互垂直方向传播的TE0模偏振光。图1a的插图展示了基模电场在光栅耦合器和波导内的分布。图1b显示了光栅的俯视图。通过两组一维聚焦线的叠加得到二维的聚焦光栅设计。图1c显示了亚波长光栅包层波导的截面图。

图1.中红外超薄硅基偏振不敏感光栅耦合器件示意图。(a)超薄偏振不敏感光栅耦合器与超薄亚波长光栅包层波导的三维示意图，插图为基模电场在波导和光栅耦合器内的分布;(b)超薄偏振不敏感光栅耦合器的俯视图;(c)超薄亚波长光栅包层波导的截面图。

所研发的超薄偏振不敏感光栅耦合器和超薄亚波长光栅包层波导器件的表征和测试结果如图2所示。图2a为整个器件的扫描电镜图，图2b是光栅耦合器的扫描电镜图。由图可见，尽管器件底部的氧化埋层也被完全除去，但器件没有任何损坏和塌陷，这表明器件具有良好的机械稳定性。图2c显示了超薄偏振不敏感光栅耦合器的仿真与测试结果，实验测得光栅耦合器在中心波长2200 nm处的耦合效率为-11.5 dB，1-dB带宽为148 nm，该结果与50 nm厚的偏振不敏感光栅耦合器的仿真结果相吻合。图2d显示了超薄偏振不敏感光栅耦合器与普通亚波长光栅耦合器的峰值耦合效率与入射光偏振状态的关系(偏振相关损耗)。实验结果表明，超薄偏振不敏感光栅耦合器的偏振相关损耗为2.1 dB，明显优于普通SWG耦合器9.6 dB的结果。另外，文章还报道了波长在2700 nm处的光栅耦合器的实验测量结果。

图2.中红外超薄偏振不敏感光栅耦合器和超薄亚波长光栅包层波导器件的表征和测试结果。(a)器件整体的扫描电镜图;(b) 光栅耦合器的扫描电镜图;(c)中红外超薄偏振不敏感光栅耦合器的仿真和测试结果;(d) 峰值耦合效率与入射光偏振状态的关系。

本论文共同第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的硕士生高浩然和博士生郭荣翔，通信作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授和博士生郭荣翔。该工作得到了国家自然科学基金(62161160335, 62175179)项目的支持。

审核编辑：汤梓红