近期，蘭(lan) 州大學物理科學與(yu) 技術學院田永輝教授課題組與(yu) 澳大利亞(ya) 皇家墨爾本理工大學（RMIT）Arnan Mitchell教授課題組及上海交通大學蘇翼凱教授課題組合作，在薄膜铌酸鋰晶圓的表麵沉積一層氮化矽薄膜，通過成熟的CMOS兼容工藝刻蝕氮化矽層可以得到氮化矽-铌酸鋰異質脊型波導，解決(jue) 了直接刻蝕铌酸鋰薄膜帶來的波導側(ce) 壁角度等問題，並基於(yu) 該波導實現了高性能的模式和偏振複用器件。相關(guan) 結果以“Mode and Polarization-division multiplexing based on silicon nitride loaded lithium niobate on insulator platform”為(wei) 題在線發表在Laser & Photonics Reviews上，並將於(yu) 當期Front Cover做簡要介紹。蘭(lan) 州大學物理科學與(yu) 技術學院博士生韓旭為(wei) 論文第一作者，田永輝教授為(wei) 論文通訊作者，皇家墨爾本理工大學任光輝博士為(wei) 論文共同通訊作者。

由於(yu) 氮化矽材料擁有略低於(yu) 铌酸鋰材料的折射率，因此大部分光場仍限製在铌酸鋰中，如圖1所示，這樣的性質有利於(yu) 在同一塊襯底上利用铌酸鋰優(you) 異的材料屬性實現電光調製器和光學非線性器件。同時，氮化矽材料還擁有與(yu) 铌酸鋰相似的光學透明窗口，有助於(yu) 實現超寬帶器件。合作團隊前期在基於(yu) 氮化矽-薄膜铌酸鋰異質集成的光子器件方麵還完成了一些相關(guan) 工作：(1) 光柵耦合器 [APL Photonics 6(8), 086108, 2021]，隻需一步刻蝕，最大耦合效率~ -4 dB，3 dB帶寬大於(yu) 70 nm，是該平台上光柵耦合器的首次報道；(2) 電光調製器 [Optics Letters 46(23), 5986-5989, 2021]，驗證了對OOK信號的高速電光調製，演示的最大調製速率可達80 Gbps。

圖1. (a) 直刻薄膜铌酸鋰波導的製作工藝和波導中的模場圖 (b) 氮化矽-薄膜铌酸鋰異質波導的製作工藝和波導中的模場圖

铌酸鋰是典型的各向異性晶體(ti) ，基於(yu) 前期的研究工作，團隊研究人員通過仿真計算得到了铌酸鋰不同晶體(ti) 學軸的光學模式特性（圖2），並率先提出了基於(yu) 該平台的高性能模式和偏振複用方案：在铌酸鋰晶體(ti) 學Z軸方向實現模式複用，晶體(ti) 學Y軸方向實現偏振複用。

圖2. (a) 晶體(ti) 學Y軸模式有效折射率與(yu) 氮化矽脊寬度的關(guan) 係 (b) 晶體(ti) 學Z軸模式有效折射率與(yu) 氮化矽脊寬度的關(guan) 係

器件的靜態測試結果顯示，在覆蓋C波段的寬波長範圍內(nei) ，模式複用/解複用器的插入損耗低於(yu) 1.46 dB，模間串擾低於(yu) -13.03 dB，偏振旋轉分束器的插入損耗低於(yu) 1.49 dB，偏振消光比大於(yu) 17.75 dB，如圖3、圖4所示。進一步地，研究人員還對器件進行了40 Gbps數據傳(chuan) 輸實驗，得到的眼圖清晰張開，誤碼率測試展示了較低的功率損失，證明所製備的器件具有良好的數據處理能力。

圖3.從(cong) 模式複用/解複用器的不同信道（(a)-(d)依次為(wei) TE0-TE3）輸入信號時，不同輸出端口測量的傳(chuan) 輸光譜。

圖4.從(cong) 偏振旋轉分束器的不同信道（(a)、(b)依次為(wei) TE0、TM0）輸入信號時，不同輸出端口測量的傳(chuan) 輸光譜。