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On-chip, inverse-designed active wavelength division multiplexer at THz frequencies

波长分复用和解复用是光学和电子学中的基本功能，允许并行通信和复杂信号的处理。在集成光子学领域，先进的光学设计技术的开发使得多个组件前所未有地集成到多功能光子芯片中，广泛应用于电信和基础科学领域。太赫兹（THz）频段的电磁波谱，得益于先进高效的源、频率梳和太赫兹光子集成电路（PIC）的出现，最近经历了快速的发展。太赫兹光子集成电路正在多个平台上进行开发，包括太赫兹量子级联激光器（QCL）。在亚太赫兹区域（f < 500 GHz），许多设备最初是没有芯片集成功能的。后来，基于硅平台的芯片集成设备被提出并实验实现，使用了阵列波导光栅和先进的拓扑光子学概念。在本研究中，我们针对太赫兹（f > 1.5 THz）频段，至今尚未展示出任何相关设备。对于这些更高的频率，使用介质板进行垂直辐射约束将导致20μm或更薄的非实用厚度；因此，我们提出了一种更适合目标波长范围的平面技术。

我们最近开发了一种基于平面化金属波导的集成主动太赫兹光子平台，具有嵌入式量子级联增益介质，能够生成跨越八度的激光、在调幅（AM）和调频（FM）模式下工作的宽带频率梳，还可以作为超快探测器。正如参考文献中所述，无衬底的全硅微结构代表了一种极具前景的（亚）太赫兹光子学组件集成平台。在这方面，我们的III-V金属-聚合物-金属结构在传播损耗和集成性方面的表现不如硅平台；但另一方面，它提供了从微波（10 GHz）到太赫兹（> 1.5 THz）频段高效工作的增益元件的可能性，在信号生成和处理方面具有巨大的优势。我们认为这两个平台是互补的，因为无论如何，太赫兹和亚太赫兹的生成主要通过III-V元件进行。然后，信号生成平台可以高效地与基于硅的无源结构耦合，利用平面几何形状，或者最终集成天线。我们的平台由于采用双金属波导几何结构，可以实现超宽带操作，该波导结构对基本TM00模式没有截止频率；TM偏振模式，其中电场垂直于III-V晶体的平面，是与量子级联结构的子带间跃迁耦合的模式。波长分复用器（WDM）是充分利用高相干性梳状源的核心组件，允许在芯片上直接进行信号操作和路由。我们平面化平台的布局采用了平行金属板波导，提供了金属-半导体-金属活跃区域（nMsM ≈ 3.6）与无源平面化材料（苯环环丁烯（BCB）聚合物，nBCB ≈ 1.6）之间的强折射率对比。虽然这并非严格要求，但对使用反向设计技术来设计紧凑型高性能设备非常有益，这将Piggott的开创性工作扩展到100倍更长的波长。一个显著的区别点在于，我们的WDM是一个具有增益的主动设备，使我们能够补偿金属-绝缘体-金属波导的传播损耗，这些波导在这些波长下可能非常严重（≈ 40 dB/cm），同时提供了一个调节设备特性的有用旋钮，允许引入例如附加调制，这可以用于激光稳定化方案，并且如果在射频频率下实现，还可以用于光谱展宽。

结果

反向设计与制造

我们采用的平面化平台非常适合反向设计应用，因为干法刻蚀的高纵横比主动结构与夹在两金属之间的无源材料之间的折射率对比，使得设备的参数化相对简单，仅需要为材料的折射率设置两个离散值（参见图1插图）。本研究中呈现的拓扑优化设备设计是通过SPINS软件获得的，SPINS是一种基于梯度优化和伴随方法的反向设计软件。设计问题需要对空间材料介电常数分布ϵ(p)进行参数化，进行一系列正向和伴随电磁仿真，并定义目标函数fobj，即用于评估给定中间设计性能的优劣指标。在优化问题的每一步，都会评估目标函数及其梯度，迭代更新拓扑，直到收敛到最优设计。

特别地，我们使用SPINS设计了一款太赫兹WDM，具有200 μm × 200 μm的紧凑外形，以及40 μm宽的输入和输出波导，将频率范围在2.2 THz至3.2 THz之间的信号路由到三个宽带输出端口。图1a展示了仿真区域的设置。浅灰色的方形区域代表设计区域，在该区域内，介电常数可以变化；而深灰色的矩形表示输入和输出波导。

GaAs（nGaAs ≈ 3.6，色散型）和BCB（nBCB = 1.57，常数）是用于该设计的两种材料，GaAs为上限，BCB为下限，BCB是一种常用于光电电子学中的低损耗（3 cm⁻¹ = 13 dB/cm）聚合物，主要用于平面化。由于金属约束的对称平面波导结构，传播的光学波几乎不依赖于垂直轴方向，这意味着仅需要进行结构的二维切片和面内传播仿真，从而减少了计算负载，并使优化过程非常高效。我们定义了一个宽带目标函数，将每个优化频率（ωi）对应的子目标相加，最大化信号传输到目标端口。对不需要的频率的排斥并未显式包含在性能评估中。因此，采用的目标函数可以写成：

测量

首先，我们通过将三个天线的信号一起收集并与设备后部裂面发射的信号进行比较，来测试设备的发射性能，其中后部裂面没有光谱选择性元件（见图3）。

图 3 | QCL 和 WDM 输出的光谱测量。比较在相同工作点下从 QCL 后部裂面（顶部曲线）和从 WDM 部分三个天线共同收集的光谱。为清晰起见，曲线具有垂直偏移。激光器在 20 K 下操作，并以 9.4 V 偏置在连续波模式下工作。

后部裂面的光谱更宽，覆盖了 2.65–4.00 THz 的带宽，具有 15.65 GHz 的自由谱区（FSR），与 QCL 部分的腔长（2.5 毫米）相匹配。三个天线的输出则覆盖了 2.65–3.30 THz 的带宽，这是根据 SPINS 优化和仿真结果预期的。不幸的是，测量的发射光谱相对于故意设计的活性区域带宽略微蓝移，因为它没有延伸到低频（低于 2.6 THz），这些低频信号将会被引导到端口 4。因此，我们预计从端口 4 仅会有一些低强度、未经滤波的宽带发射。

为了实验性地评估 WDM 的性能，我们在低温设备中使用压电控制器将一个空间滤光器（一个直径为 1 毫米的孔，位于 10 × 10 毫米金属板框架内）放置在每个天线前方，从而收集来自各个端口的信号。测量设置的详细描述和图片可以在补充材料中找到。测量结果经归一化后报告在图4中，每个端口的最大发射功率进行比较。端口 2 和端口 3 的输出与预测结果非常一致，显示出最大串扰为 -6 dB。端口 4 的输出位于 2.37 THz，显示出信号衰减，因为激光输出的光谱发射未覆盖目标带宽，这在图3中可见。该实验配置还允许我们测试 WDM 的放大特性。由于 WDM 与激光器电气隔离，可以独立偏置并作为每个通道中发射辐射的放大器。图5a中报告了每个端口的集成发射功率：明显可以看出，放大效应在 6 V 时达到阈值，并在 9 V 偏置下达到最大值（饱和），与激光器的 LIV 曲线（图5b）上的观察结果非常一致，翻转点出现在相同的偏置下。最大放大倍数为近 3.5 倍（5.4 dB），发生在端口 2。这表明在传输到端口 2 的频率上活性区域（偏置为 9 V）具有较高的增益，这通过该端口的更高集成光谱输出功率得到确认（见图4），其次是端口 3，最后是端口 4。

图 4 | 实验与仿真传输的比较。
a 从每个端口单独收集的光谱输出。红色星号对应于（b）中的测量点。光谱在垂直方向上进行了偏移以便清晰显示，未重新缩放，显示了检测信号的实际强度。
b 三个 WDM 端口的归一化实验光谱输出，以及来自 CST 3D 仿真的相应预测。测量是在 20 K 下进行的，同时激光器以 9.4 V 偏置在连续波模式下工作，WDM 部分的偏置为 8.5 V。

图 5 | 电气传输与功率测量。
a 每个端口的光谱积分发射信号（星号）作为 WDM 偏置的函数。为了比较 WDM 的阈值和最大放大电压，显示了 QCL 输出功率（虚线）作为 QCL 偏置电压的函数。两者的相似性很明显，因为这两个部分采用相同的活性材料，具有相同的增益。
b 激光器在 20 K 下以微脉冲（500 kHz，5% 占空比）、宏脉冲模式（30 Hz，50% 占空比）驱动时的 L-I-V 曲线，WDM 没有偏置。

此外，我们还研究了激光发射在激光和 WDM 光谱带宽重叠的频率范围内的相干性。当在自由运行模式下操作 QCL 时，我们在激光动态范围的宽范围内观察到一个强烈的 RF 拍频信号（见图6a、b），这表明激光器运行在频率梳模式下。测量显示，当 WDM 在其放大模式下工作时，在 8 V 以下的狭窄电压区间内出现一些不稳定性。尽管如此，QCL 的整体性能未受 demultiplexer 部分的影响，这表明后者在激光腔中引入了较弱的反馈。为了完全表征发射的相干性特性，我们使用了在补充材料中描述的 SWIFTS14 设置，并配备了一个快速的肖特基探测器（最大频率 < 30 GHz）。我们在 7.87 GHz 的频率下以 +10 dBm 的 RF 注入操作激光器，频率为腔体往返频率的一半。我们观察到在约 250 GHz 的带宽内，频率梳以 frep = 2finj = 15.65 GHz 的频率操作，覆盖了通道 2 和 3。如图6d所示，WDM 分裂后的 QCL 输出的时域重构表现为一个振荡的周期性信号。这种波形是频率梳的混合 AM 和 FM 特性的结果，正如重构的模间相位差所提示的那样。

图 6 | 电拍频信号和移位波干涉傅里叶变换光谱测量（SWIFTS）。
a, b QCL 的电气测量拍频信号，在 20 K 下获取，扫动激光器电压，在 WDM 的两种不同工作模式下：
a 没有放大的情况下，偏置为 3 V；
b 具有放大的情况下，偏置为 8 V。
c 实验 SWIFT 光谱测量。激光器在 7.9 V（105 mA）下工作，温度为 20 K。光谱产品和 SWIFT 光谱重叠，在 Schottky 信号高于噪声底的区域。该光谱区域的模间相位差显示在顶部。
d 重构的时间强度剖面（蓝色区域）与对应于相同光谱的傅里叶限制脉冲（虚线黑色线）进行比较。

我们还研究了频率梳操作的稳定性与 WDM 偏置的关系。我们报告了在两种不同 WDM 偏置下激光器部分的偏置应用下的电拍频信号，VWDM = 3.0 V（见图6a），对应于一个损耗模式，和 VWDM = 8.0 V（见图6b），对应于放大模式。拍频图谱有一些轻微的变化，但频率梳的绝大部分模式在任何 WDM 偏置下都得以保持（更多测量结果请见补充材料）。这证明了两个部分之间的光学隔离非常好，允许在作为频率梳运行时对设备性能进行精细控制。

讨论

利用在通信波长下开发的先进反向设计技术，并将其应用于超宽带平面波导平台，用于太赫兹和微波光子学，我们展示了与太赫兹 QCL 梳波集成的三通道 WDM 活动设备。在这一初步演示中，该设备能够提取宽达 200 GHz 的通道，并且具有合理低的串扰，低于 -6 dB。提取的激光模式是相位相干的，如通过 SWIFTS 测量所证明，并且在 WDM 偏置点下表现稳健。这个新类的设备为许多应用铺平了道路，如集成的太赫兹信号处理、宽带太赫兹光谱学以及相干太赫兹通信，正如最近在通信频率下使用频率梳所展示的那样。反向设计方法的一个关键亮点是可以轻松优化不同材料平台的可能性。此外，平面化的双金属配置可以通过使用天线并促进信号传输，允许与各种设备的多功能集成，为下一代集成光子系统提供支持。

方法

设备制造

激光芯片由 MBE 生长的活性材料晶圆制成，材料由低阈值宽带 GaAs/AlGaAs 异质结构组成。制造过程从在样品和 n+ GaAs 基板上蒸发金属堆叠开始。两者通过热压晶圆键合粘合在一起。活性区域经过抛光和湿刻蚀处理后暴露出来。接下来，需要进行干刻蚀步骤以定义活性波导。样品的平面化处理采用 BCB 聚合物，最后完成电接触的定义，完成制造过程。更多制造细节可以在补充材料中找到。

实验方法

激光器在 20 K 下以连续波模式运行，使用 Keithley 2420 电源，或在脉冲模式下使用 Agilent 8114A 脉冲发生器。额外的微波调制由 Rohde&Schwarz SMB 100A 微波信号发生器与 Mini-Circuits ZVE-3W-183+ 微波放大器组合提供。激光发射光谱使用 Bruker Vertex 80v 傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与室温氘化三甘氨酸硫酸盐（DTGS）探测器获取。为了测量隔离的 WDM 输出通道的滤波发射，采用了一个自制的 FTIR 光谱仪，配有室温 DTGS 探测器和微型相机。SWIFT 光谱测量使用一个肖特基二极管作为快速探测器在室温下进行。拍频信号被收集到 FTIR 输出，并输入到 Rohde&Schwarz FSW67 RF 频谱分析仪，配有 IQ 解调功能。更多细节请参见补充材料。