基于相变材料的紧凑型可重构片上偏振分束器研究 - 硫系玻璃 | 宁波大学红外材料及器件实验室
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基于相变材料的紧凑型可重构片上偏振分束器研究
作者: irglass 时间: 2023-09-21 浏览:3,876 次

       近日,我室阮嘉凯(2021级研究生)、高一骁博士和沈祥研究员等在相变可重构光子器件的研究工作中取得了进展,并在Optics Express期刊上发表题为“Compact reconfigurable on-chip polarization beam splitter enabled by phase change material”的文章(Optics Express 2023, 31(20), 33091-33102. https://doi.org/10.1364/OE.498920)。

       波导模场的偏振态操控对于片上光信息处理至关重要。偏振分束器 (PBS) 可将正交偏振光波模式分离到不同的输出路径,是片上偏振控制的关键组件之一。传统的片上PBS不足之处在于无法对不同偏振模式的片上路由进行灵活切换,即缺乏可重构特性。为了解决这一缺点,研究者提出利用硅基波导的热光效应实现PBS的可重构特性,但是热光可重构PBS的具有尺寸较大(~ 500 um)、功耗高等问题。

       硫系相变材料具有大折射率对比度,而且相变具有非易失特性,将相变材料与硅基波导混合集成是实现结构紧凑、低功耗的可重构片上光子器件的最佳解决方案。我们提出利用集成在硅基波导表面的超低损耗相变材料Sb2Se3,通过相变来有效地控制单模波导组成定向耦合器 (DC) 中 TE 和 TM 模式的耦合行为,通过优化DC结构截面设计,通过调节Sb2Se3的相态变化实现不同偏振输出状态的切换,实现可重构的分束功能,如图1所示。我们提出的PBS在1550 nm波长下,TE/TM传输模式的串扰以及插入损耗分别为-34.8 dB/-30.3 dB和0.03 dB/0.12 dB,当Sb2Se3切换到非晶态时,TE/TM模式的串扰和插入损耗分别为-25.3 dB/-21.3 dB和0.04 dB/0.16 dB,展现出极佳的器件性能,且在已报道的硅基可重构偏振分束器中器件长度最小(∼52 µm),可望在偏振模式复用、微波光子器件和量子光子线路等领域产生了重要应用。

图1 (a) 基于相变材料的可重构PBS结构示意图。(b) 在1550 nm波长下,Sb2Se3 在非晶态和晶态时TE/TM传输光场分布。(c)在1550 nm-1560 nm波段,Sb2Se3 在非晶态和晶态时PBS输出端透射光谱。