重大突破

　　天文光子学作为下一代天文终端仪器技术的基石，有潜力带来低成本、高度集成化的新一代高性能天文观测仪器。集成光分束器作为构建复杂集成光子器件的基础，在光谱芯片、光相控阵、光干涉、光通信等众多重要领域应用广泛。为了满足基于新原理及新技术的下一代天文光学技术及观测仪器发展的需要，获取高性能（低损耗、大带宽、任意比分光）的集成光分束器至关重要。          

　　近期，中国科学院南京天文光学技术研究所天文光子学研究何晋平研究员团队与华东师范大学程亚教授团队合作，在集成光分束器方面取得新进展。他们通过采用飞秒激光光刻辅助化学机械抛光的工艺在薄膜铌酸锂平台上实现了低损耗（<2dB）、多通道（16/40）输出的平坦型分束器。通过调整输入光的偏振状态，还可以在多模波导条件下获得不同类型分布的光强输出，该研究未来有助于实现片上高性能高分辨光谱芯片的制作。相关研究成果已于2023年12月27日在线发表在国际光学期刊Laser & Photonics Reviews上 (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202301052)。 

　　  

　　图1 1 40光分束器的结构图以及实验上测量的输出强度分布 

　　  

　　在小型化1 2光分束器的研究方面，该团队采用非对称锥形波导来逐渐改变光在锥形多模区域内的传播方向，在保证器件紧凑和低损耗（<0.4dB）的同时，实验上实现了50:50-75:25范围内的分光比调节，相关研究成果已整理并投稿，有望于近期发表。 

 

　　图2 1 2光分束器的结构示意图、电镜图以及实验上测量的分光比结果 

　　  

　　在上述研究的基础上，团队进一步优化了1 2集成光分束器的性能，采用锥形波导和S型波导组合来直接调控光在多模区域内的传输方向，可以在低损耗的情况下获得更大分光比的调节范围（50:50—100:0），同时能够在300 nm带宽内保证一定范围内分光比的一致性。相关成果申请了国家发明专利。 

 

　　图3 1 2光分束器的结构示意图及分光比仿真结果 

　　  

　　考虑到高分辨率光谱芯片的研究需要更多数目的分束，而级联型1 2光分束器会极大增加器件的尺寸；另外目前集成化多通道光分束器仅支持高斯型分布，暂未有太多相关工作，而光强分布又会影响最终干涉光谱的形状，因此团队在上述研究的基础上进一步拓展了集成光分束器的通道数量，通过使用两级锥形波导共同调控输入光的形状，同时调整阵列锥型波导的宽度大小来获得不同分布的光强输出，结果显示器件在保证紧凑、低损耗的情况下可以实现如均分型、曲线型、单峰型等任意类型的光强输出，目前该类器件正处于制备阶段，相关研究成果已申请国家发明专利。 

 

　　图4 1 64光分束器的结构示意图及1 16通道的多种类型输出结果 

　　  

　　团队后续将围绕上述集成光分束器进一步开展高分辨光谱探测方面的研究工作。未来也将积极拓展该类器件在光相控阵列（OPA）、光功率分配网（OPDN）等方面的应用进程。 

　　该研究得到国家自然科学基金重点项目（11933005）、江苏省重点研究发展计划（BE2023080）、中国科学院重大科技任务局课题（KGFZD-145-23-04-03）及研究所自主部署项目的支持。