浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310058
硅光技术凭借其CMOS兼容性和高集成度等突出优势，被认为是最具发展潜力的新一代光子集成主流技术，在全球范围内受到极大关注。近年来，无源/有源硅光器件及其集成芯片研究均取得了重要进展。而随着光通信、光互连、光传感、光测量及光计算等新兴领域的飞速发展，硅光技术迎来了更为广阔的应用空间。与此同时，硅光器件及芯片也面临着更高性能、更高密度和更大规模等重要挑战。本文聚焦于面向波分复用、偏振复用、模式复用及混合复用等应用的高性能无源硅光波导器件，重点阐述了其性能突破及功能拓展，并探讨了硅光波导器件的发展前景。
集成光学 硅光 波分复用 偏振复用 模式复用 高性能 光学学报
2022, 42(17): 1713001
光学学报
2022, 42(17): 1700000
浙江大学光电科学与技术学院光及电磁波研究中心, 浙江 杭州 310058
硅纳米光波导具有超高折射率差与超小横截面, 因而具有超强光场限制能力, 为实现超高集成度纳米光子回路提供了一种极具吸引力的途径。众所周知, 在光子集成回路中, 模式转换与耦合是实现各种功能器件的重要基础。对硅光子集成回路中的模式转换与耦合原理、新结构与新器件进行了详细分析和讨论。研究了硅纳米光波导锥形结构中模式传输及演化过程, 揭示了其特有的偏振相关模式转换机制。结果表明, 当光波导横截面存在不对称性时, 可能在某些特定波导宽度范围内产生偏振模杂化, 为实现偏振旋转提供了一种方便的方法。通过调控非对称定向耦合结构中模式转换与耦合的相位匹配条件, 为实现超小型偏振分束器、大带宽模式复用-解复用器等关键器件提供重要途径。
集成光学 硅纳米光波导 模式耦合 模式转换 偏振 复用 激光与光电子学进展
2017, 54(5): 050003
浙江大学 光电信息工程学系 现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058
总结并展望了硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件方面的理论和实验研究工作。首先介绍了几种硅基混合表面等离子体纳米光波导结构，其尺寸可小至100 nm以下，而传播长度达100 μm量级；其次介绍了基于硅基混合表面等离子体纳米光波导的功分器、偏振分束器和谐振器等集成器件，其尺寸为亚微米量级；最后探讨了硅基混合表面等离子体纳米光波导与硅纳米线光波导的耦合及对其进行增益补偿。
光波导 集成器件 表面等离子体 硅纳米线 optical waveguide photonic integrated devices plasmonic silicon nanowire
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心,浙江 杭州 310058
利用有限元方法和时域有限差分方法,优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM 偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难,且模式失配会引入一些损耗,因此波导间隙取约100 nm 较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙,使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 μm,偏振分束器的消光比大于15 dB 时,波导宽度制作容差为－20～10 nm,带宽约为50 nm。
集成光学 偏振分束器 方向耦合器 绝缘体上硅 激光与光电子学进展
2010, 47(5): 051301
浙江大学,现代光学仪器国家重点实验室,光及电磁波研究中心,浙江州,310058
波导表面粗糙度引起的散射损耗是SiO2光波导传输损耗的主要来源,通过降低表面粗糙度可以获得低损耗SiO2光波导.通过优化ICP干法刻蚀工艺的各参数(如温度、压强、气体流量、感应/偏置功率等)获得了低粗糙度的SiO2光波导,并采用SEM和AFM对刻蚀表面粗糙度进行了定量测试.采用优化刻蚀工艺可将表面粗糙度从35.4nm降低到3.6nm,波导传输损耗约为0.1dB/cm.
Si基SiO2光波导 ICP刻蚀 表面粗糙度
浙江大学,现代光学仪器国家重点实验室,光及电磁波研究中心,杭州,310027
利用有限差分方法(FDM)对大横截面SOI(Silicon-on-insulator)脊型光波导的本征模进行了计算分析,从而确定了SOI脊型波导的单模条件,即归一化外脊高和归一化脊宽的关系.通过比较,进一步明确了归一化外脊高大于0.5时现有的单模条件解析公式中常数项的取值为0.3.同时,还对归一化外脊高小于0.5时的单模条件也做了计算和讨论.
单模条件 有限差分方法 脊型波导 Single mode condition Finite-Difference-Method （FDM） Rib waveguide
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心, 杭州 310027
提出了一种新的等效折射率方法，可以将光波导的两维折射率分布精确等效成一维折射率分布。从波动方程出发，通过严格的数学推导，得到了一维等效折射率分布的表达式。该等效折射率分布由二维光波导的模场分布和折射率分布决定。在此等效过程中，几乎无任何近似，因此具有比传统等效折射率方法(EIM)更高的精度，而且不受波导截止条件的限制，并适用于任意的折射率分布结构。以SOI(silicon-on-insulator)脊型光波导为例，给出新方法的一个具体等效实施过程，比较了新方法与传统等效折射率方法计算得到的等效模场分布及等效折射率，结果显示本文方法的有更高的计算精度。最后，文中给出了一个利用这种等效方法计算弯曲波导损耗的例子。新方法可以使对三维结构(截面为任意折射率分布)的模拟简化成二维模拟。
集成光学 等效折射率 光波导 有限差分 弯曲损耗 绝缘体硅材料
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,光及电磁波研究中心,浙江,杭州,310027
引入归一化偏移和归一化间距,利用高斯近似得到阵列波导光栅(AWG)的频谱响应,从而分析了展宽系数、品质因数、插损与归一化间距的关系.给出一个实例,取归一化间距为0.707,对应的展宽系数约为2,插入损耗IL约为2dB,并用光束传输方法(BPM)进行了验证.
阵列波导光栅 多模干涉耦合器 频谱
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心,杭州,310027
用(1,1)阶Padé近似的广角BPM计算了阵列波导光栅(AWG)中由于阵列波导间耦合造成的相位畸变以及由于相位畸变引起的相位误差.分别考虑了光从中心/非中心输入波导入射两种情况.结果表明,波导间的耦合会造成显著的相位畸变,但由此引起的相位误差却很小,光从中心输入波导入射时对应的相位误差10-3rad,从非中心输入波导入射时的相位误差约为10-2rad.针对波导阵列边缘效应引起的相位畸变,设计AWG结构时,在阵列部分两侧增加了边缘辅助波导结构,从而消除了边缘效应,使得边缘阵列波导对应的相位误差从10-1rad量级减小为10-3(10-2)rad量级.
阵列波导光栅 耦合 阵列波导 相位畸变 相位误差 边缘辅助波导
