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》。

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(zhǎng)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室戴道鋅教授課題組對(duì)此進(jìn)行了深入研究，提出了亞波長(zhǎng)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(zhǎng)結(jié)構(gòu)色散調(diào)控機(jī)制從根本上突破其FSR限制，同時(shí)利用其靈活的模場(chǎng)調(diào)控實(shí)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。

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(gè)光柵各個(gè)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(jì)靈活度。更重要的是，這種振幅切趾的亞波長(zhǎng)光柵不僅能實(shí)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(wèn)題（如圖2所示）。此外，研究表明，通過(guò)調(diào)整光柵齒深，其帶寬可根據(jù)實(shí)際需要在1-200 nm超大范圍內(nèi)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)。所研制MSWG光學(xué)濾波器測(cè)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(guò)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)還可進(jìn)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(zhǎng)范圍都只有一個(gè)帶通，表明其突破了FSR限制。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整 MSWG結(jié)構(gòu)參數(shù)，還可實(shí)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(bào)道的片上光濾波器最大帶寬?？傮w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(kuò)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(shí)際應(yīng)用中都具有巨大潛力。

Dajian Liu, Jianghao He, Mingyu Zhu, Yuluan Xiang, Long Zhang, Ming Zhang, Yang Xu, Daoxin Dai*, High-Performance Silicon Photonic Filter Using Subwavelength-Structure Multimode Waveguide Gratings, Laser & Photonics Reviews, 2023, 2300485