过去的几十年见证了光子集成回路的飞速发展，在很宽的光波长范围实现了许多应用。相比于通讯波段的集成光子学，可见光波段的集成光子学发展较慢。然而，可见光波段的集成光子学有其独特的应用领域，比如生物传感、光遗传学、量子信息处理和频率计量学。常见的用于可见光波段的集成光学材料有二氧化硅、氮化硅、磷化铟、二氧化钛、氮化铝、铌酸锂等。和其它材料相比，铌酸锂具有优秀的光学非线性和超宽的光学透明波长范围，因此基于铌酸锂的集成光学获得了极大关注。然而在铌酸锂上加工光学器件通常需要高质量的刻蚀工艺，这增加了制造的难度。最近，一种基于连续区束缚态原理的全新光学结构则解决了这一问题。通过在衬底上沉积并图形化一种易于制造的光学透明材料，可避免对衬底材料的刻蚀。基于这种光学结构，人们在通讯波段已成功实现了高维通信、声光调制、二维材料集成等，这给研发高性能的可见光集成光学平台提供了思路。
香港中文大学孙贤开课题组基于连续区束缚态（BIC）的原理，研发了免刻蚀铌酸锂的工作于近可见光波段的具有超低损耗的集成光子回路。在具有高折射率的铌酸锂衬底上沉积并图形化一层低折射率的聚合物，这时TM偏振的束缚态由于位于TE偏振的连续区内，其能量通常会耗散到衬底中。通过设计波导的结构参数，使能量的耗散干涉相消，这样TM偏振的束缚态便能稳定地存在于TE偏振的连续区内，形成所谓的BIC模式。基于这一原理，作者成功实现了一系列集成光学的基本元件，包括直波导、弯波导、微盘腔、微环腔、马赫-曾德干涉仪和多模定向耦合器。通过制造一系列具有不同半径的微盘腔和微环腔并测量其传输谱，在模拟得到的BIC点附近测量到具有超高光学品质因子的谐振模式。在半径为79.3 μm的微盘腔中测得的本征品质因子达到1.1 × 106（波长位于~765.4 nm），该值高于传统方式通过刻蚀铌酸锂制造的微盘腔。在此基础上，利用铌酸锂优秀的光学非线性，作者提出了一种基于BIC原理的二次谐波产生的方案。通过模拟和理论计算，发现利用直波导可让波长为1646.6 nm的TE0模和波长为823.3 nm的TM2模满足相位匹配，转化效率可达0.48% W−1cm−2。作者从多方面详细地研究了基于连续区束缚态的近可见光波段的集成光子回路，由于该平台支持无源和有源的集成光学器件且制造工艺简单，该工作为开辟片上可见光领域的应用铺平了道路。相关结果发表在Advanced Optical Materials上。
WILEY
论文信息：
Ultralow-Loss Etchless Lithium Niobate Integrated Photonics at Near-Visible Wavelengths
Yue Yu, Zejie Yu, Lai Wang, and Xiankai Sun*
Advanced Optical Materials
DOI: 10.1002/adom.202100060
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202100060
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