【研究成果概述】

近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院戴道鋅教授研究團隊提出了一種多模亞波長光柵濾波器，基于亞波長結(jié)構(gòu)的色散調(diào)控機制，對布拉格光柵的耦合系數(shù)、局域模場及等效折射率等參量進行靈活調(diào)控，實現(xiàn)了一種突破自由頻譜范圍限制、帶寬可在超大范圍靈活設(shè)計、具有高邊模抑制比的新型高性能片上集成濾波器。

該研究成果以“High-Performance Silicon Photonic Filter Using Subwavelength-Structure Multimode Waveguide Gratings”為題于2023年11月發(fā)表于光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《Laser & Photonics Reviews》。

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【研究背景】

光濾波器是光通信/光互聯(lián)、光傳感/光測量等各類應(yīng)用領(lǐng)域的核心器件，其研究受到廣泛關(guān)注。近年來，硅光濾波器以其結(jié)構(gòu)緊湊、易于陣列化等突出優(yōu)點而成為研究重點。另一方面，為了滿足更多應(yīng)用需求，光濾波器研究除了實現(xiàn)低損耗、高消光比、方形濾波譜等高性能之外，還要具備更大的工作波長范圍以及帶寬范圍。因此，亟需發(fā)展具有更高性能的新一代光濾波器技術(shù)。

眾所周知，光濾波器通常是基于雙光束干涉或多光束干涉原理，其工作波長范圍往往受限于其自由頻譜范圍FSR。近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院/極端光學(xué)技術(shù)與儀器全國重點實驗室戴道鋅教授課題組對此進行了深入研究，提出了亞波長結(jié)構(gòu)多模波導(dǎo)光柵（MSWG）的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)（圖1）。其原理是：利用亞波長結(jié)構(gòu)色散調(diào)控機制從根本上突破其FSR限制，同時利用其靈活的模場調(diào)控實現(xiàn)頻譜靈活調(diào)控，使之具有低損耗、高邊模抑制比及方形譜型等優(yōu)異性能，為突破硅光濾波器性能瓶頸提供了新路徑。

圖1 (a) 基于多模亞波長光柵（MSWG）的硅光濾波器；(b) 振幅切趾MSWG

【研究結(jié)果】

在該工作中，所研制MSWG光濾波器巧妙地利用了布拉格光柵折射率工程，使整個光柵各個位置的局域等效折射率幾乎為恒定值，從而有效地抑制了旁瓣并增加了帶寬設(shè)計靈活度。更重要的是，這種振幅切趾的亞波長光柵不僅能實現(xiàn)高邊模抑制比，還能避免正反向基模間耦合以及由此導(dǎo)致的FSR受限的問題（如圖2所示）。

此外，研究表明，通過調(diào)整光柵齒深，其帶寬可根據(jù)實際需要在1-200 nm超大范圍內(nèi)進行靈活設(shè)計。所研制MSWG光學(xué)濾波器測試頻譜如圖3所示，具有低損耗（~1 dB）、高邊模抑制比（>20dB）、大帶寬（~13 nm）的優(yōu)異性能，而通過級聯(lián)結(jié)構(gòu)還可進一步將其邊模抑制比提升至40dB以上。

更重要的是，該光濾波器的在1450nm以上的超大波長范圍都只有一個帶通，表明其突破了FSR限制。同時，通過調(diào)整 MSWG結(jié)構(gòu)參數(shù)，還可實現(xiàn)超大帶寬硅光濾波器（如圖4所示），其帶寬>160 nm，是迄今報道的片上光濾波器最大帶寬。總體而言，這種突破帶寬及FSR限制的硅光濾波器展示了其優(yōu)異性能和突出的擴展性，在超寬帶片上光譜儀和多通道波分復(fù)用系統(tǒng)等實際應(yīng)用中都具有巨大潛力。

圖2 具有超大FSR的MSWG光濾波器光譜響應(yīng)仿真結(jié)果

圖3 所研制的MSWG光濾波器光譜響應(yīng)測量結(jié)果

圖4 所研制的具有超大帶寬（>160 nm）的MSWG光濾波器光譜響應(yīng)測量結(jié)果

審核編輯：劉清