铌酸锂材料具有优异的电光、声光和光学非线性效应，素有光电子时代“光学硅”的称号。近年来，薄膜铌酸锂作为新的集成光电子材料平台受到了广泛的关注，基于该平台的光电子器件库也得到了快速的发展。相较于硅材料，铌酸锂材料的折射率较低，器件的尺寸也较大，这不仅降低了光电子芯片的集成度，还对计算资源和时间提出了更高的要求。因此，在薄膜铌酸锂平台上制作出光学微结构来降低器件尺寸、提升芯片集成度是一项非常具有吸引力的方案。然而，现有的铌酸锂波导刻蚀工艺会在波导的侧壁形成一定的角度（一般为40°-80°），倾斜的波导侧壁限制了相邻波导之间的最小间距，这对于光学微结构的制作提出了很大的挑战。

图1.本论文入选Laser & Photonics Reviews杂志正内封面

　　近期，兰州大学物理科学与技术学院田永辉教授课题组与澳大利亚皇家墨尔本理工大学Arnan Mitchell教授课题组及上海交通大学苏翼凯教授课题组合作，通过在薄膜铌酸锂晶圆表面沉积一层氮化硅，利用传统的刻蚀技术仅仅刻蚀氮化硅层形成亚波长光栅波导，有效应对了薄膜铌酸锂集成光电子器件难以加工制作的挑战，降低了器件尺寸、提升了芯片集成度，并成功基于该波导实现了小尺寸、高性能的光学模式与偏振处理器件。相关结果相关成果以“Integrated subwavelength gratings on a lithium niobate on insulator platform for mode and polarization manipulation”为题发表于国际光学期刊Laser & Photonics Reviews，并入选当期封面Inside Front Cover。兰州大学物理科学与技术学院博士生韩旭为论文第一作者，田永辉教授为论文通讯作者，皇家墨尔本理工大学任光辉博士为论文共同通讯作者。

　　氮化硅是一种理想的辅助材料，其具有与铌酸锂类似的折射率，通过合理的设计波导结构使得氮化硅-铌酸锂异质波导中的大部分光场仍然可以限制在铌酸锂层，从而发挥其优异的光学性能实现电光、声光及光学非线性器件。更重要的是，氮化硅是CMOS工艺兼容的材料，成熟的微纳加工工艺可以方便地实现氮化硅层的加工制作，有助于实现铌酸锂集成光电子芯片的大规模集成。这项工作是合作团队在基于氮化硅-薄膜铌酸锂平台的集成光电子器件领域取得的又一重要突破，进一步阐释和证明了该平台的优势。

　　如图2所示，该工作基于亚波长光栅波导，一种由周期性排列的波导单元组成且其周期远小于输入波长的光学微结构。合作团队以空间模式滤波器和起偏器这两类器件为例，演示了在薄膜铌酸锂平台上通过光学微结构对空间与偏振模式的调控。通过对薄膜铌酸锂不同晶体学轴光模式与偏振特性的分析，合作团队在铌酸锂晶体学Z轴上制作了TE1模通滤波器和TE2模通滤波器，在铌酸锂晶体学Y轴上制作了TM起偏器。实验结果显示，1550 nm处器件的插入损耗均低于3.1 dB，模式与偏振消光比均高于30 dB，器件展现出较大的工作带宽。值得一提的是，所有器件的长度都仅为约50 μm，远小于此前该材料平台上报道的同类型器件。

图2、基于薄膜铌酸锂亚波长光栅波导的片上光模式/偏振调控：（a）空间模式滤波器原理示意图；（b）起偏器原理示意图

论文信息：

Integrated subwavelength gratings on a lithium niobate on insulator platform for mode and polarization manipulation

Xu Han, Li Chen, Yongheng Jiang, Andreas Frigg, Huifu Xiao, Thach Giang Nguyen, Andreas Boes, Jianhong Yang, Guanghui Ren*, Yikai Su, Arnan Mitchell, and Yonghui Tian*

Laser & Photonics Reviews 16(7), 2200130 (2022)

DOI: 10.1002/lpor.202200130

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