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Floquet调制波导模式折射率的方案，在绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台上实现超宽带低串扰传输。相关成果以“Ultrabroadband low-crosstalk dense lithium niobate waveguides by Floquet engineering”为题发表在Physical Review Applied 20, 054005 (2023)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。南京大学物理学院21级直博生林智远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

当前，绝缘体上铌酸锂（LNOI）成为光子集成领域人们关注的极具潜力的平台体系。较之于绝缘体上硅（SOI）平台，铌酸锂波导的折射率偏低，这阻碍了LNOI体系光子集成度的提高。其中，高密集成波导之间的模式串扰是制约光子集成的重要因素，尽管人们在SOI体系中提出了多种方案去解决串扰的问题，但受限于LN较低的折射率以及加工难度，这些方案并不能直接套用到到LNOI平台上。此外，大部分光学器件都需要大的工作带宽，以发挥更好的性能。因此，发展宽带、低串扰的高集成方案对LNOI的大规模光子集成技术非常重要。

研究亮点

研究人员设计了波导宽度沿传播方向变化（宽窄互补）的结构来产生所需要的模式折射率Floquet调制（图1（a））。理论分析表明Floquet调制波导的有效耦合可由贝塞尔函数描述（图1（b）），当选取适当的调制参数，可以得到有效耦合的贝塞尔函数零点，意味着波导间的串扰被抑制了（图1（c））。其背后的物理可以利用Floquet理论计算准能谱解释，在一定的调制条件下，准能谱出现坍缩现象，进而出现了准平带，抑制了光场衍射与耦合。

进一步分析耦合的色散关系，可以发现在一段很大的波长区间内，零耦合曲线与零色散耦合曲线几乎重叠，这表明该方案可以实现宽带的消串扰（图1（d））。从仿真结果可以看出，有调制的波导能够一直维持较高的串扰抑制（理论带宽>600 nm），而无调制的直波导则表现出随波长剧烈变化的耦合现象（图1（d-e））。事实上，这种宽带的起源是Floquet调制带来的调制色散刚好与耦合色散互相制约，最终在一定条件下获得了宽带的消串扰。

图1.消串扰的理论方案与仿真结果

基于上述设计，研究人员在x切LNOI上制备了样品，两侧的端口分别通过Taper结构与耦合光栅I1、I2相连接（图2（a, b））。在实验中，激光从I1端口输入，在O1和O2端口接收输出信号，并通过改变输入的激光波长，以验证结构的宽带特性。实验结果如图2（b, c），对于有调制的结构（δw=105 nm）输出光总在O1端口，而对于直波导结构（δw=0 nm），两个输出端口均有光输出，并随着波长的增大，越来越多的能量耦合到另一根波导并从O2端口输出。从图2(f)的结果可以看出，该方案在1480~1620 nm的波长均能获得20 dB以上的消串扰（直波导的结果如图2（f）所示）。为进一步展示该方案的可行性，研究人员还展示了多通道宽带传输，表明了大规模集成的潜力。需要说明的是，工作中展示波导宽度为690-1110 nm，波导中心间距为1900 nm。这虽然比不上硅波导的集成度，但在LNOI体系已经属高紧凑波导体系了。此外，该结构还具有加工鲁棒性，该器件在波导宽度整体变化±60 nm均能维持较好的串扰抑制效果。

图2. X-切LNOI片上消串扰实验结果

总结与展望

研究团队利用波导模式折射率的Floquet调制，在集成铌酸锂波导中实现超宽带低串扰传输。该方案仅需要波导宽度沿传播方向变化，无需加工更精细的结构或引入弯曲调制，可以广泛应用于其他平台（如Si, Si3N4）。结合LN的电光效应，该方案还有望在光学相控阵得到应用。其他先进的集成和宽带光子器件，如片上光互连也是可能的应用场景。

论文链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.20.054005

文章来源于两江科技评论微信公众号。