第一作者（首选中文名）：陶子涵

通讯作者（首选中文名）：王兴军

通讯单位：北京大学电子学院

【研究背景】

硅基光电子学作为一个低成本、高密度、CMOS工艺兼容的集成光学平台，受到了学术界和工业界广泛热烈的关注。硅基狭缝波导是由两跟高折射率硅波导中间嵌入低折射率材料（空气或二氧化硅等）组成，中间的狭缝区是主要的光场能量分布区，由于具有这种独特的光学模式，狭缝波导在许多应用中是不可替代的，如光学高灵敏传感器、高速电光调制器、偏振模式控制器以及非线性光学相关器件。

【文章简介】

狭缝波导由于其特殊的波导结构，具有良好的光场束缚能力，可以极大提高光与物质的相互作用。然而，狭缝波导传输损耗高，不可能在全部的集成光路中都是用狭缝波导进行信号的传输处理，一般仅在需要狭缝波导的功能区（如高速电光调制器）处使用狭缝波导结构，而芯片的其他部分则使用传统的条形波导。然而，条形波导的光学模式与狭缝波导的模式极不匹配，两种波导结构不能够直接进行连接，这阻碍了狭缝波导在集成光子学的进一步应用。因此，如何解决两种波导模式的模场匹配，实现低损耗模场转化成为了重要的研究课题。

近期，北京大学王兴军教授团队针对上述存在的问题，提出了利用特殊的多模干涉效应（MMI）效应的方法，实现了超紧凑且偏振不敏感的狭缝-条形波导模式转换器，相关工作于2022年4月2日发表在Frontieris of Optoelectronics期刊上，文章题目为：An ultra-compact polarization-insensitive slot-strip mode converter。

【图文导读】

创新点一：设计正弦型平滑过渡区，利用多模干涉效应实现模场匹配

研究团队通过在两种不同类型的波导中间引入一个平滑过渡区，过渡区的结构由两条不同长度的正弦形状构成（如图1 a和b所示），以保证过渡区的轮廓形状是处处光滑的，从而避免由结构突变造成的模式不匹配带来的反射。当光从狭缝波导进入到中间的过渡区时，由模式展开理论可知，在正弦型过渡区中将会存在多种高阶模式，在过渡区传输时，由于过渡区的轮廓形状并不是传统的正方形，因此这些高阶模式在传播过程中每个模式的有效折射率等参数都会改变，经过计算，当光传播到正弦型过渡区的末端时，基模和高阶模式混叠所产生的光场分布恰好等于条形波导基模的光场分布，即两者的模式重叠因子极高，保证了低损耗高效率的模式转换。

图1 (a)所提出器件的三维结构图(b)正弦型平滑过渡区的示意图，其中W_t=1.1µm，L_t1=0.4µm，L_t2=0.8µm。(c)狭缝波导和条形波导的光场模式差异对比。(d)两种偏振态模式转换结果图

创新点二：利用正弦型过渡区设计自由度大的优点，实现偏振不敏感特性

随着数据容量的传输，偏振复用技术成为了人们关注的焦点，实现器件同时对TE模式和TM模式都能够有很好的模式转换效果成为了研究重点之一。在这里，研究人员利用正弦型过渡区在设计上的高自由度的特点，对两端长度进行了优化设计，如图2所示，通过计算发现，在特定的参数下，TE偏振态和TM偏振态在过渡区的末端处基模和高阶模混叠的光场分布与条形波导的基模的模式重叠因子均极高，即意味着两种偏振态均有了极高的转换效率。

图2 随着结构参数的变化TE偏振态（a）和TM偏振态（b）转换效率变化情况的仿真结果。图（c）和（d）为对关键参数进行工艺容差分析所得器件性能劣化情况

器件制作和测试

研究团队在重庆联合微电子中心进行了有源MPW流片将所提出的器件进行了实际加工与测试，如图3所示，将器件分为对照组和待测试组，对照组仅有输入输出光栅和条形波导，其中耦合光栅包含了针对TE偏振态的光栅和对于TM偏振态的光栅，待测试组则有本文所提出的模式转换器件架构，对应TE偏振态和TM偏振态，工作波长在1550nm下插入损耗分别为-0.4 dB和-0.64 dB，意味着所提出的器件可以同时满足两种偏振态的传输。偏振相关损耗为0.24 dB。器件在1520nm-1570nm的范围下均展示出了很好的器件性能。

图3 (a) 实验装置示意图。(b)器件 SEM 图片。(c) TE₀模式（红线）和 TM₀模式（蓝线）的透射率，黑线为通过鲁棒局部权重回归方法获得的拟合曲线。绿线代表偏振相关损耗 (PDL)

【总结和展望】

本文通过数值仿真和实际制作与测试验证了一种基于MMI效应的模式转换器，实现了低损耗的模式转换和传输，同时具有偏振不敏感的特性，所设计的器件尺寸也十分紧凑，尺寸仅有1.1µm *1.2µm大小。由于利用了正弦型过渡区，所提出的转换器可以在狭缝波导和条形波导之间建立平滑的连接。这种器件在光学传感、高速调制等应用场合下，同时需要双偏振态工作时有望发挥出重要作用。

【作者介绍】

王兴军，教授，北京大学博士生导师，电子学系副主任，区域光纤通信网络与新型光通信系统国家重点实验室，教育部新世纪优秀人才（2013），国家自然科学基金委 国家重点项目负责人、科技部863重大项目负责人、科委高技术重点研发项目负责人。 研究方向为光子芯片与信息系统。

【课题组简介】

光电子芯片与信息系统创新中心主要致力于研究和开发以光子和电子为信息载体的大规模集成芯片和信息系统，实现在各种尺度上的感知、互连和处理。主要研究方向包括数据中心光收发芯片和系统，微波光电子芯片与系统，硅基片上光放大器与激光器，硅基-传感/二维材料/非线性等新型器件。

http://pcis.pku.edu.cn/index.htm