新型的二硒化铂-硅基异质集成波导模式滤波器

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的光子芯片实验室与深圳大学、香港中文大学等高校合作，研发了一个新型的二硒化铂-硅基异质集成波导模式滤波器，成果以“Waveguide-integrated spatial mode filters with PtSe2 nanoribbons”为题，发表在《Nanophotonics》期刊上。

为满足通信带宽快速增长的需求，研究人员对模分复用（Mode-division multiplexing, MDM）技术进行了广泛探索。另一方面，基于二维材料-硅基异质集成光电器件具有宽光谱响应、可调谐带隙、高工作带宽等优点，是开发新型光电集成器件的热门研究方向之一。迄今为止，许多二维材料-硅基异质集成光电器件（如光源、调制器和探测器等）已然相继被报道，并展示出优异的性能。然而，针对MDM应用的二维材料异质集成光电器件仍停留于理论研究阶段，相关实验很少被报道。

在本项工作中，研究者们将二硒化铂（PtSe2）纳米带集成到具有深亚波长厚度的超薄硅基波导上，实现了在短波中红外波段的高效空间模式滤波。图1a为基于二硒化铂纳米带集成波导的空间模式滤波器的原理图，分别是滤除横电基本模式（TE0）、保留横电一阶模式（TE1）的TE1模式滤波器，以及滤除TE0模式、保留横电二阶模式（TE2）的TE2模式滤波器。两种器件皆由6 nm厚的十层PtSe2纳米带和70 nm厚的硅波导组成，是硅-绝缘体（silicon-on-insulator, SOI）晶圆利用CMOS工艺、二维材料湿法转移工艺和纳米图案裁剪工艺制备而成。非定向耦合器用于TE0模式和TE1、TE2模式之间的能量转换。图1b和图1c展示了两种空间模式滤波器的三维图和截面图。通过设计PtSe2纳米带的几何尺寸和位置，与TE0模式电场高度重叠却基本不与高阶模式发生相互作用，这使得TE0模式被大量吸收而高级模式得以保留。

图1. 二硒化铂-硅基异质集成波导模式滤波器的示意图。(a) TE1模式滤波器和TE2模式滤波器的原理图。器件包括输入单模波导、非对称定向耦合器和与PtSe2纳米带集成的多模波导。(b) TE1模式滤波器和 (c) TE2模式滤波器的三维图和截面图。

所研发的空间模式滤波器的表征和测试结果如图2所示。图2a和图2b展示了TE1模式滤波器和TE2模式滤波器的扫描电镜图像。光栅耦合器用于将TE0模式的光耦合进和耦合出超薄硅波导。多模波导两侧的绝热锥在连接多模波导和单模波导的同时能不改变光模式。此外，波导结构无任何损坏，PtSe2纳米带形状完整、颜色清晰，表明器件具有极高的制备质量。图2c和图2d显示了测量的TE1模式滤波器和TE2模式滤波器在2200 nm波长附近的归一化透射率。由于PtSe2纳米带的尺寸和位置经过精心设计，PtSe2纳米带与超薄波导内的TE0模式倏逝场有明显的重叠，TE0模式的光损耗超过15 dB。两种空间模式滤波器分别实现了高达 12 dB的TE1-to-TE0模式消光比和高达 14.5 dB的TE2-to-TE0模式消光比。

图2. 二硒化铂-硅基异质集成波导模式滤波器的实验结果。(a) TE1模式滤波器的SEM图。 (b) TE2模式滤波器的SEM图。(c) TE1模式滤波器和(d) TE2模式滤波器不同端口的归一化透射率。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的博士生许天平和邢正锟，通信作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授。该工作得到了国家自然科学基金(62161160335, 62175179, 62475188)、天津市自然科学基金(23JCJQJC00250)和广东省自然科学基金(2022B1515130002, 2023A1515011189)的项目支持。