近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心集成光子研究部非线性光学团队的沈力副教授课题组提出一种新型的基于多模反对称变迹布拉格光栅的硅基片上起偏器。相关成果以《Ultrahigh-extinction-ratio and broadband all-silicon TM-pass polarizer by employing multimode anti-symmetric apodized Bragg grating》为题发表于 APL Photonics 期刊。

近年来，基于绝缘体上硅（silicon-on-insulator, SOI）平台的光子集成电路因其高集成度和低成本等优势而备受关注。然而，SOI的高折射率对比度通常导致器件对偏振非常敏感。对于使用最为广泛的220 nm厚SOI平台而言，实现片上偏振管理变得非常重要。起振器作为偏振滤波器广泛应用于光信号偏振管理和减少偏振串扰。目前已经提出了多种方案来实现高偏振消光比和宽带片上起振器，包括浅刻蚀脊波导、硅混合等离子体结构、石墨烯材料、反对称定向耦合器、各向异性超材料、布拉格光栅等等。然而，就制造复杂性和工艺兼容性而言，高性能的全硅起振器是优选方案。目前，针对TE（横电）模式起振器，已经可以提供超过415nm的带宽、低于1dB的插入损耗以及大于20dB的偏振消光比。然而，对于TM（横磁）模式起振器而言，大部分方案仍存在带宽较小或器件反射严重等问题，限制了TM起振器在片上光子集成电路系统中的应用。因此，本文提出了一种结构如图1所示的大带宽、超高消光比的全硅TM片上起振器，通过使用模式滤波器来降低反射问题。

图1（a）所设计的TM偏振器的结构图，黑色虚线显示了多模反对称变迹布拉格光栅的三个组成部分：一个均匀布拉格光栅和两个变迹布拉格光栅；紫色箭头表示TE0模式的传播，红色箭头表示TM0模式的传输；（b）标记了一些详细参数的TE1模式滤波器；（c）MASABG的详细参数。

图2（a）显示了制造的TM起振器的显微镜图像，插图显示了TE1模式滤波器和布拉格光栅部分的扫描电子显微镜图像。实验测试了片上起偏器在1400至1700nm的波长范围内的偏振消光比和插入损耗等指标，如图2（b）和（c）所示。在1550nm处，测得的偏振消光比高于50dB，插入损耗约为0.6dB。测量的偏振消光比>20dB、>30dB和>40dB的带宽分别为263nm、260nm和150nm。此外，所制造的器件在1410-1700nm的宽波长范围内显示超低的插入损耗（<0.9dB），实验与仿真结果一致。这项研究为设计宽带、超高消光比全硅TM偏振器提供了全新了思路，该器件有望在片上光通信和光传感中发挥重要作用。

图2（a）制造器件的显微图像，插图：TM偏振片的部分扫描电子显微镜图像；（b）器件的偏振消光比；（c）器件的插入损耗。

中红外集成光子课题组博士生程光炼为论文第一作者，司马朝坦副教授和沈力副教授为论文的共同通讯作者，其它共同作者包括衣启源博士生、颜志伟博士生、李启元硕士生和徐芳露硕士生。本项工作得到了国家重点研发计划（2022YFB2803600），国家自然科学基金项目（62175080, 62075074）以及湖北省重点研发计划项目（2021BAA005）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0139739