光子晶体是一种人工设计的周期性结构，具有和电子系统类似的带隙特性，可用于调控特定波长的传输，在片上光子操控领域有着重要的应用。近日，上海科技大学信息学院邹毅教授课题组与天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授、刘铁根教授课题组合作，提出了一种采用形貌修饰优化硅基光子带隙波导器件的方法。相关成果以“Hyperuniform Disordered Solids with Morphology Engineering“为题发表在国际知名光学期刊Laser & Photonics Reviews上。
无序超均匀固体（Hyperuniform Disordered Solids, HUDS）是一种新型的光子带隙结构。与传统光子晶体所具有的严格周期性结构不同，HUDS结构具有经过优化设计的无序性，其光子带隙具有各向同性、带隙大、均匀、完整等特点。当前，优化HUDS结构的光子带隙和光束缚能力主要采用“点分布优化”和“结构系数优化”等方法，但是这些方法都存在着计算开销大，计算时间长的问题。本研究中，研究人员通过采用贝塞尔曲线平滑腔室结构，改变各个腔室的散射特性，从而减小HUDS结构的插入损耗并拓宽其光子带隙，实现了较低算力条件下的HUDS结构光子带隙优化，如图1所示。
图1. 用于HUDS结构光子带隙优化的形貌修饰方法。（a）2×2未修饰的HUDS结构阵列。插入图是HUDS结构中的一个腔室。（b）贝塞尔曲线修饰的HUDS结构阵列。插入图是权重为1的贝塞尔曲线修饰的HUDS结构中的一个腔室。
基于该方案设计的器件表征和测试结果如图2所示。实验结果表明，相比未修饰的HUDS波导，修饰后的HUDS波导具有更低的插入损耗和更好的仿真-实验一致性。HUDS微环器件的测量结果也证明修饰后的HUDS微环器件具有更高的Q值，对应着更低的光学损耗，这与波导的相关结果一致。
图2.未修饰与修饰后的HUDS波导器件。(a) HUDS波导的扫描电镜图与截面示意图；(b) 未修饰的HUDS波导透过率仿真与测量结果；(c) 修饰后的HUDS波导透过率仿真与测量结果；(d) 未修饰的HUDS微环测量结果；(e) 修饰后的HUDS微环测量结果
上海科技大学2018级博士研究生李挺和天津大学精密仪器与光电子工程学院的万典、陈斯、陈威成为论文的共同第一作者。邹毅教授和天津大学的程振洲教授为论文共同通讯作者，天津大学刘铁根教授、华中科技大学沈力教授和日本东京大学薛世荣教授和山下真司教授也对该工作进行了指导。
该研究在上海科技大学量子器件中心（SQDL平台）完成。
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