🔬 optics

Efficient Mode Conversion at 1064 nm via Bilayer Inverse Taper on Thin-Film Lithium Niobate

本文提出了一种在薄膜铌酸锂上的双层反向渐变锥结构，该结构在 1064 nm 波长下实现了高效的纤芯到芯片耦合，实测每端损耗为 1.9 dB，理论潜力为 0.48 dB，为片上光互连提供了一种高性能解决方案。

原作者： Ruidong Xue, Jobayer Hossain, Joshua Arnold, Jiuyi Zhang, Xiaofeng Zhu, Marco Moller de Freitas, Christopher J. Cullen, Shouyuan Shi, Peng Yao, Timothy Creazzo, Dennis Prather

发布于 2026-08-04

📖 1 分钟阅读☕ 轻松阅读

CC BY 4.0

原作者： Ruidong Xue, Jobayer Hossain, Joshua Arnold, Jiuyi Zhang, Xiaofeng Zhu, Marco Moller de Freitas, Christopher J. Cullen, Shouyuan Shi, Peng Yao, Timothy Creazzo, Dennis Prather

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，互联网是一座巨大且繁忙的城市，信息以被称为“光子”的微小、隐形的信使进行传递。多年来，这些信使一直沿着铜线奔跑，但这些电线就像陈旧而狭窄的街道，容易发生拥堵并减慢交通速度。为了解决这个问题，科学家们正在芯片上建造“光子高速公路”，在那里，光以惊人的速度疾驰，几乎不浪费任何能量。然而，这里有一个棘手的瓶颈：如何将光从粗大的圆形光纤（主干道）引导到芯片上微小的平面波导（小巷）中。这就像试图把一大桶水倒入一个针尖大小的小杯子里，而不洒出一滴水一样。如果形状不完全匹配，光就会发生散射并损失掉，从而使整个系统效率低下。对于波长为1064纳米的特定颜色（或波长）的光来说，这尤其困难，因为这个波长是制造超快速计算机和传感器的黄金点，但目前的工具在连接这一环节上却表现挣扎。

这篇论文讲述了一个研究团队如何设计出一个聪明的“模具”，来解决针对这种特定颜色光的“倾倒问题”。他们在一片以铌酸锂（一种在处理光方面表现卓越的明星材料）为基础的薄片上，设计了一种特殊的结构，称为“双层逆锥形结构”。你可以把这个锥形结构想象成一个漏斗，它从宽阔处开始，变得极其狭窄，但其方式非常聪明——采用了两层设计。他们的设计不仅仅是在侧向挤压光线，像标准的漏斗那样，而是同时在侧向和上下方向进行挤压，温柔地引导光线从粗壮的光纤进入纤细的芯片波导，而不至于“洒出来”。他们并非仅仅靠猜测来建造，而是利用计算机模拟设计出了一个形状逐渐变化的漏斗（就像一个只有在末端才会变陡的滑梯），以保持光线的稳定与顺畅。

随后，团队在真实的实验室中制造了这些漏斗并对其进行了测试。他们发现，他们的设计效果显著。当光线穿过它时，每个连接点的信号强度仅损失了1.9分贝。相比于以往针对这种特定颜色光的尝试（通常会损失3分贝或更多），这是一个巨大的进步。虽然他们的计算机模型表明，如果一切完美，损耗甚至可以降至0.48分贝，但其实际应用结果仍然是一个重大的飞跃。他们还检查了该设备对对准精度的敏感程度；他们发现，该设备对于上下方向的移动比左右方向的移动更为敏感，但在微小的误差范围内仍能保持良好的性能。最重要的是，该设备在1055到1085纳米的颜色范围内都能稳定工作，这意味着它足够强健，能够满足实际应用的需求。这项工作证明，我们可以高效地将高速光路连接到驱动下一代技术的微型芯片上，为运行在1064纳米波长上的更快速、更强大的设备开启了大门。

技术摘要：通过薄膜铌酸锂上的双层逆向锥形结构实现 1064 nm 高效模式转换

问题陈述
尽管薄膜铌酸锂（TFLN）因其非线性特性和低传播损耗，已成为高性能高速调制器和量子传感器的优越平台，但高效的纤维-芯片耦合仍是一个显著的瓶颈，特别是在 1064 nm 波长处。虽然在 C 波段（1550 nm）以及 1310 nm 和可见光光谱等其他波段已实现了低损耗耦合，但 1064 nm 波段提出了独特的挑战。波长的缩短改变了模式限制、纤维-芯片模式失配以及绝热转换条件，使得针对 15 50 nm 优化的设计在不进行重新优化的情况下无法适用。此外，在 1064 nm 波长下运行对于射频光子系统和 TFLN 调制器至关重要，因为根据 Pockels 效应的标度关系（ $V_\pi \propto \lambda$ ），这可以实现半波电压（ $V_\pi$ ）的直接降低。然而，现有的该波长边缘耦合器表现出相对较高的插入损耗（例如，每个端面约 3 dB），因此需要专门的设计和实验研究来实现高效率集成。

方法论
作者提出并实现了一种专门针对 1064 nm 进行优化的基于双层逆向锥形结构的片上光模式转换器。

设计策略： 不同于简单的 1550 nm 设计缩放，团队进行了针对特定波长的仿真，使用了 2.5 $\mu$ m 模场直径（MFD）的高斯纤维模式。他们采用了 300 nm 厚的 TFLN 波导，蚀刻深度为 150 nm。该设计具有一个双层锥形结构，其中光学模式从基础纤维模式过渡到脊型蚀刻波导。
非线性锥形轮廓： 为了最小化传播损耗并确保绝热转换，作者对第二层采用了非线性锥形轮廓，由幂律方程 $y(x) = w_r + (w_l - w_r)(1 - x/L)^m$ 定义。这种方法减缓了锥形起始部分（即模式弱约束区域）的几何变化，从而抑制了非绝热耦合。
参数优化： 利用 Lumerical FDTD 仿真，团队系统地优化了四个关键参数：输入宽度（ $w$ ）、锥形长度、第二层的长度比例（ $\gamma$ ）以及指数（ $m$ ）。确定的最优配置为：输入宽度约为 160 nm，总锥形长度为 300 $\mu$ m，第二层长度比例为 0.3，且非线性指数 $m=0.5$ 。
制备： 器件在 300 nm TFLN 晶圆上制造。工艺涉及使用 HSQ 掩模的电子束曝光（EBL）技术，以定义低至 30 nm 的锥形尖端特征。针对双层结构，采用了具有极高对准精度（<40 nm）的两步 EBL 工艺。器件采用 1.5 $\mu$ m 的 SiO2 进行包层，并经过抛光以暴露锥形输入端面。

关键结果

耦合损耗： 制造出的器件在 TE 模式下的耦合损耗为每端面 1.9 dB。理论仿真表明，在使用理想制造工艺和 2.5 $\mu$ m MFD 透镜纤维时，损耗可降至每端面 0.48 dB。
带宽： 该器件展现出覆盖 1055–1085 nm 的 1 dB 带宽，证实了其在目标波长附近具有稳定的性能。
对准容差： 测量了偏振相关的对准容差。对于 TE 偏振，横向对准容差对侧向变化的敏感度较低。TE 模式的垂直对准容差（对应 1 dB 损耗）约为 1.0 $\mu$ m，而 TM 偏振态的垂直容差较窄，为 0.74 $\mu$ m。
损耗分析： 实验值（1.9 dB）与仿真值（0.48 dB）之间的差异归因于现实中的制备偏差，包括输入宽度/高度减少 15 nm、衬底堆叠（SiO2/BOX/Si）的存在，以及约 4.5° 的抛光端面角度偏差，这些因素共同导致了额外的损耗。

意义与主张
本文展示了一种专门针对 1064 nm 在 TFLN 上进行优化的高效双层逆向锥形耦合器，解决了先前研究（如 Zhang 等人 [27] 报道的 1064 nm 耦合器损耗为 3 dB）的局限性。作者认为这项工作是开发能够利用更短波长下更低 $V_\pi$ 特性的射频光子系统和高性能 TFLN 调制器的必要步骤。

测得的 1.9 dB 每端面损耗被强调为迄今为止使用双层锥形结构在 1064 nm 下实现的最低实验演示值。该结果符合文献中观察到的趋势，即耦合损耗随波长增加而改善（例如，此前工作中 775 nm 为 3 dB，1064 nm 为 3 dB，1310 nm 为 1 dB，而 1550 nm 为 0.5 dB）。作者总结道，虽然需要进一步改进制造容差和抛光角度以缩小与仿真的差距，但所演示的器件为未来集成在该波段工作的器件提供了一种可行的、高效率的片上光学耦合方案。

类似论文