近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部周立兵研究员团队在高性能薄膜铌酸锂模分复用器件消光比提升方面取得新进展，相关成果以“High performance mode (de)multiplexer assisted with a microring resonator on the lithium niobite-on-insulator platform”为题，发表于Nanophotonics。
薄膜铌酸锂具有强电光、声光和非线性光学效应等优异性能，被认为是下一代集成光通信、光传感及光计算的理想平台。近年来，随着大尺寸薄膜铌酸锂晶圆以及低损耗光子芯片微纳加工技术的飞速进展，基于薄膜铌酸锂的多种集成光电器件被相继实现，如高速电光调制器、声光调制器、频率转换器、宽带光频梳、光电探测器等。其中，薄膜铌酸锂声光调制器由于在激光信号处理、相干量子态转换以及微波光子学等领域具有广泛的应用前景而逐渐受到研究者的关注。高性能的模分复用器件是薄膜铌酸锂声光调制器的关键核心器件之一，主要用于声光调制信号与输入光信号的分离，直接决定片上声光调制器的消光比性能。目前，基于薄膜铌酸锂平台的模分复用器件的消光比约为20 dB，与分立式晶体声光调制器的消光比指标还存在较大差距。
针对上述挑战，该研究团队从片上声光调制的物理过程出发，结合片上声光调制光场模式和频率转换的特性，提出了模分复用器和高Q值临界耦合微环谐振器片上集成的方案，以实现高消光比的信号分离。团队采用单步电子束曝光和干法刻蚀的方案分别制备了基于非对称定向耦合器的模分复用器件、集成微环谐振器的模分复用器件。测试结果表明，薄膜铌酸锂模分复用器件在1514-1580 nm波段范围内片上插入损耗低于1.92dB，模式串扰优于-20 dB。在此基础上，团队进一步研究了片上集成临界耦合微环谐振器对器件插损和消光比等关键性能指标的影响。实验研究表明：该片上集成方案仅引入微环谐振器自身的插损，而未产生额外的耦合或散射损耗。更重要的是，该集成器件的消光比性能获得显著提升：平均消光比提升至30 dB以上，最高值可达35 dB。进一步分析表明，通过优化器件设计和制备工艺、采用多微环级联滤波结构等方法有望将该集成器件的消光比提升至40 dB，接近商用晶体声光调制器的性能水平。这一成果有望解决目前片上声光调制器消光比低的瓶颈问题，为应用于芯片级的光隔离、移频和激光雷达等领域的集成声光调制器以及超低串扰多模光子传输研究提供新方法。
相关研究得到了国家自然科学基金面上项目、上海市产业协同项目和中国科学院重点部署项目的支持。
图1 集成器件的消光比实验表征结果
