导读

近日，南京大学现代工程与应用科学学院李涛、祝世宁课题组通过非厄密损耗调控和绝热捷径方案的结合，在绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台上实现了紧凑且宽带的非对称光波导传输器件。相关成果以“Broadband asymmetric light transport in compact lithium niobate waveguides”为题发表在Laser & Photonics Reviews 2023, 202300306上。该研究工作得到了国家自然科学基金委和国家重点研发计划的大力支持。南京大学现代工程与应用科学学院博士生吴圣杰为该论文的第一作者，南京大学现代工程与应用学院李涛教授、宋万鸽特任副研究员为论文共同通讯作者，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。

研究背景

绝缘体上铌酸锂（LNOI）已经发展为优异的光学集成平台，但受限于LN较低的折射率，LNOI上的光学器件尺寸普遍较大，不利于大规模光子集成。另一方面，非对称光传输是光子集成中非常重要的功能，但是现有方案受限于较大的器件尺寸或是较窄的工作带宽。综上，发展LNOI片上紧凑宽带的非对称光场传输非常关键。

研究亮点

选择性的模式损耗实现非对称光场传输。研究人员设计了非厄密耦合波导（NHCW），该体系支持两个劈裂模式和一个零模：劈裂模式在波导I、II、III上均有分布（图1（a）中a, c, d, f）；而零模在波导II上没有能量，在I和III保持相位相反的分布（图1（a）中b, e）。利用这种模式分布的特性，在波导II上引入损耗使得两个劈裂模式成为高损耗模式，而零模保持无损耗传播，从而实现选择性的模式损耗。

绝热捷径实现紧凑的器件设计。研究人员采用了绝热捷径的方案，使得光场在NHCW中沿着零模演化。与传统绝热方案对比，绝热捷径打破绝热条件的限制，使得光场能够在快速变化的小体系中沿着设计路径演化，从而实现紧凑的非对称光场响应。通过对比绝热捷径与传统绝热两种方案，发现采用绝热捷径方案能使得样品在较小的长度（~66 μm）获得良好的非对称传输效果（图1（c）），而基于传统绝热方案设计的器件在相同长度下完全丧失功能，而只有在更大的长度下（~200 μm）才能达到相近的效果（图1（b）），从而证实了绝热捷径方案在设计紧凑的片上光子器件中的优越性。

图1. NHCW中模式演化与绝热捷径

基于上述设计，研究人员在x切LNOI上制备了样品，在波导II上套刻铬引入损耗，两侧的端口分别通过Taper结构与耦合光栅A、B相连接（图2（a, b））。在实验中，激光从A端口输入，器件正向工作，在B端口观察到TE10输出信号，证实器件正向工作为TE00-TE10模式转换器（图2（c, d）上）。当激光从B端口输入，器件反向工作，在A端口观察不到输出信号，证实器件将光信号阻隔（图2（c, d）下）。实验结果与仿真结果完全一致。另外，得益于零模的鲁棒性，该器件在1450-1600 nm的波段中都观测到很好的非对称效果（对比度>16 dB），展示出很好的宽谱特性（图2（e, f））。

图2. X-切LNOI片上紧凑宽谱的非对称光场传输

总结与展望

研究团队设计了LNOI片上紧凑宽谱的非对称光场传输器件，通过选择性模式损耗和模式转换实现了非对称的光场响应。在此基础上，研究者还采用了绝热捷径的设计方案来“加速”模式演化的过程，从而大大减小了器件的尺寸。该器件在很大的带宽内都有着很好的非对称光场响应。该工作为片上紧凑的非对称光子器件提出了新的设计方案，并且其采用的非厄密LNOI平台为未来LNOI片上光场集成与调控提供的新的自由度。

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202300306

文章来源于两江科技评论微信公众号。