近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的光子芯片實驗室與深圳大學、香港中文大學等高校合作，研發了一個新型的二硒化鉑-硅基異質集成波導模式濾波器，成果以“Waveguide-integrated spatial mode filters with PtSe2nanoribbons”為題，發表在《Nanophotonics》期刊上。

為滿足通信帶寬快速增長的需求，研究人員對模分復用（Mode-division multiplexing, MDM）技術進行了廣泛探索。另一方面，基于二維材料-硅基異質集成光電器件具有寬光譜響應、可調諧帶隙、高工作帶寬等優點，是開發新型光電集成器件的熱門研究方向之一。迄今為止，許多二維材料-硅基異質集成光電器件（如光源、調制器和探測器等）已然相繼被報道，并展示出優異的性能。然而，針對MDM應用的二維材料異質集成光電器件仍停留于理論研究階段，相關實驗很少被報道。

在本項工作中，研究者們將二硒化鉑（PtSe2）納米帶集成到具有深亞波長厚度的超薄硅基波導上，實現了在短波中紅外波段的高效空間模式濾波。圖1a為基于二硒化鉑納米帶集成波導的空間模式濾波器的原理圖，分別是濾除橫電基本模式（TE0）、保留橫電一階模式（TE1）的TE1模式濾波器，以及濾除TE0模式、保留橫電二階模式（TE2）的TE2模式濾波器。兩種器件皆由6 nm厚的十層PtSe2納米帶和70 nm厚的硅波導組成，是硅-絕緣體（silicon-on-insulator, SOI）晶圓利用CMOS工藝、二維材料濕法轉移工藝和納米圖案裁剪工藝制備而成。非定向耦合器用于TE0模式和TE1、TE2模式之間的能量轉換。圖1b和圖1c展示了兩種空間模式濾波器的三維圖和截面圖。通過設計PtSe2納米帶的幾何尺寸和位置，與TE0模式電場高度重疊卻基本不與高階模式發生相互作用，這使得TE0模式被大量吸收而高級模式得以保留。

圖1.二硒化鉑-硅基異質集成波導模式濾波器的示意圖。(a) TE1模式濾波器和TE2模式濾波器的原理圖。器件包括輸入單模波導、非對稱定向耦合器和與PtSe2納米帶集成的多模波導。(b) TE1模式濾波器和(c) TE2模式濾波器的三維圖和截面圖。

所研發的空間模式濾波器的表征和測試結果如圖2所示。圖2a和圖2b展示了TE1模式濾波器和TE2模式濾波器的掃描電鏡圖像。光柵耦合器用于將TE0模式的光耦合進和耦合出超薄硅波導。多模波導兩側的絕熱錐在連接多模波導和單模波導的同時能不改變光模式。此外，波導結構無任何損壞，PtSe2納米帶形狀完整、顏色清晰，表明器件具有極高的制備質量。圖2c和圖2d顯示了測量的TE1模式濾波器和TE2模式濾波器在2200 nm波長附近的歸一化透射率。由于PtSe2納米帶的尺寸和位置經過精心設計，PtSe2納米帶與超薄波導內的TE0模式倏逝場有明顯的重疊，TE0模式的光損耗超過15 dB。兩種空間模式濾波器分別實現了高達12 dB的TE1-to-TE0模式消光比和高達14.5 dB的TE2-to-TE0模式消光比。

圖2.二硒化鉑-硅基異質集成波導模式濾波器的實驗結果。(a) TE1模式濾波器的SEM圖。(b)TE2模式濾波器的SEM圖。(c) TE1模式濾波器和(d) TE2模式濾波器不同端口的歸一化透射率。

本論文第一作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的博士生許天平和邢正錕，通信作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授。該工作得到了國家自然科學基金(62161160335, 62175179,62475188)、天津市自然科學基金(23JCJQJC00250)和廣東省自然科學基金(2022B1515130002, 2023A1515011189)的項目支持。