铌酸锂薄膜带多模波导的模式杂化分析

高对比度平台上的光子器件具有固有的混合型导模。它们的6个场分量(Ex, Ey, Ez, Hx, Hy, Hz)都是非零的，不像具有纯横向电(TE)和横向磁(TM)模式的平面波导。然而，一般来说所有模态都有一个主要的E和一个主要的H分量。这种模称为准横向电(qTE)模和准横向磁(qTM)模。如果绝缘子上硅和绝缘子上铌酸锂等高对比度波导在结构上存在折射率的垂直不对称和/或水平不对称，则在某些特殊模式下，电场的主分量和非主分量几乎相等。这种模态不能归入qTE或qTM模态，称为混合模态。当有效指数相似的两个正交偏振模相互耦合时，就会产生模杂化现象。偏振分离器旋转器的TM -TE高阶模转换采用了模式杂交区设计。这些组件对于实现偏振分集方案是必不可少的，它规避了高对比度波导中偏振相关的损耗和色散问题。它们也是用于相干光学系统应用的光电集成电路中的关键元件。与qTE和qTM模式相比，混合模式也显示出较大的群速度色散，这在可调时延和光信号处理应用中很有用。虽然杂化现象对模式转换器和延迟很有用，但在模式分复用(MDM)应用程序中，同样会导致高串扰。虽然报道了SOI纳米线和LNOI的混合模式，然而，导致混合模式的波导结构参数和其与工作波长之间的数学关系还没有被探索。

       近日，来自印度理学院的Archana Kaushalram等人对在x -切、y -传播和z -传播晶体上的铌酸锂薄膜多模波导进行了完整的模式杂化分析。LNOI是集成光子学的一个优秀平台，因为它的广泛的透明度范围从350到5200纳米，强大的电光、声光和热光效应，使它成为有源和非线性器件的优秀选择。此外，他们还试图建立导致混合模式的波导结构参数之间的数学关系。研究了这种现象对波导工作波长和侧壁角的影响。根据所得到的结果，设计了双折射和各向同性LN波导的锥度，将TM0模式转换为TE1模式，并确定了最佳长度，以实现99.5%的大转换效率。文中还详细研究了模转换器的器件长度和模转换器的加工容限对加工误差(如边墙角和宽度偏差)引起的混合点位移有很强的依赖性。相关工作发表在《Scientific Reports》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41598-020-73936-x