用戶名: 密碼: 驗證碼:

创康牛牛核桃牛奶: 硅光芯片中的偏振相關器件

摘要:由于硅波導的寬度與高度不等,決定了其對偏振敏感,進而需要額外的器件來操控偏振自由度, 使得光場保持在TE模式。而其他材料體系的光芯片,波導可以制備成方形,也就不存在偏振敏感的問題。另外,由于波導加工的不完美性,導致波導結構存在不對稱,進而使得光場偏振性質發生改變。

牛牛bank同洲电子 www.xjdtk.icu   硅波導的典型尺寸為500nm*220nm,這主要是為了滿足單模條件的要求。該尺寸同時支持TE0模和TM0模式,模場分布如下圖所示,

  對于TE模,電場的水平分量占主導,對于TM模,電場的豎直分量占主導。需要說明的是,無論哪種模式,電磁場在其他方向上都是有分量的,和傳統的TE偏振、TM偏振有些區別,因而也稱其為quasi-TE, quasi-TM模。

  從上圖中可以看出,TM模的光場主要分布在波導的上下兩個面,而TE模主要分布在兩個側面。由于上下兩個底面不是通過刻蝕形成的,其粗糙度小于側壁的粗糙度。因此TM模的傳輸損耗要小于TE模。盡管如此,光芯片中仍然使用的是TE模式,主要原因有:1)調制器僅支持TE模式,其需要通過脊形波導形成電學結構,2)TM模的彎曲半徑更大。

  對于transceiver來講,其發送端可以保持工作在TE偏振下,但是當光經過光纖傳輸后,到達發送端的光場偏振狀態已經發生了變化,部分光變成了TM光。為了解決這一問題,人們提出了多種片上偏振相關器件。

  1. TE-pass polarizer

  通過一定的結構設計,使得TE模通過,而TM模被過濾掉,其作用類似偏振片。有多種結構:

  a) 級聯彎曲波導

(圖片來自文獻1)

  主要利用TM模的彎曲損耗較大的性質,經過多個彎曲波導后,TM?;舊⑸淶匠牡字?,TE模則不受影響。

  b)非對稱的定向耦合器

  結構如下圖所示,

(圖片來自文獻2)

  通過選取合適的波導寬度,使得原波導中的TM0模式轉變為寬波導中的TM1模,進而散射到襯底中,而TE0模仍然在原波導中傳播,不受影響。

  3)寬度漸變的脊形波導

  其結構如下圖所示,

(圖片來自文獻3)

  該結構主要利用條形波導的TE0??勺晃剮尾ǖ嫉幕?,TM0模無法完成類似的轉換,散射到襯底中。

  2. Polarization splitter and rotator

  該器件(以下簡稱PSR)的主要作用是將TM模和TE模分開在不同路徑傳播,并且TM模轉換為TE模。PSR的結構非常之多(可參看浙大戴道鋅老師的綜述文獻), 但是總結下來,不外乎兩大類。

  a) mode-evolution

  利用bi-level taper, 使得TM0模式轉換為TE1模式,進而利用不對稱的定向耦合器,使得TE1模式轉變為TE0模式。典型的結構如下圖所示,

(圖片來自文獻4)

  b) mode-coupling

  該結構主要利用不對稱的定向耦合器,使得一根波導的TM模式與另一根波導的TE模式的有效折射率相等,兩者滿足相位匹配條件,TM模式轉換為另一根波導中的TE模式,典型的結構如下圖所示,

(圖片來自文獻5)

  基于PSR, 人們提出了polarization diversity的方案,也就是在兩個輸出端口連接相同的接收光路,如下圖所示。該方案將同一光路復制兩份,芯片的尺寸增大一倍。

  (圖片來自https://res-www.zte.com.cn/mediares/magazine/publication/com_cn/article/201804/ZHAOYingxuan.pdf)

  另外一種方案是基于MZI進行反饋控制,使得兩路中的TE模式進行干涉,最終光場全部集中在一根波導中,如下圖所示。該方案需要設計反饋控制算法。

(圖片來自文獻6)

  此外偏振不敏感的edge coupler也是其中的一個關鍵器件,典型的結構為懸臂梁型端面耦合器, 硅波導的tip寬度為90nm左右,如下圖所示,

(圖片來自文獻7)

  使用單模光纖,該結構的TE與TM模的耦合損耗都可以達到1.3dB。

  以上是對硅光芯片中偏振相關器件的一個總結,由于硅波導的寬度與高度不等,決定了其對偏振敏感,進而需要額外的器件來操控偏振自由度, 使得光場保持在TE模式。而其他材料體系的光芯片,波導可以制備成方形,也就不存在偏振敏感的問題。另外,由于波導加工的不完美性,導致波導結構存在不對稱,進而使得光場偏振性質發生改變。在分析實驗結果的時候,可能會遇到這一問題。

  參考文獻:

  H. Zafar, et.al., “Integrated silicon photonic TE-pass polarizer,” in Photonics North Conference (2016).

  H. Xu, and Y. Shi, "On-Chip Silicon TE-Pass Polarizer Based on

  Asymmetrical Directional Couplers", IEEE Photon. Tech. Lett. 29, 861(2017)

  X. Huang, et.al., "A compact TE-pass polarizer based on shallowlyetched SOI ridge waveguides with varying widths

  ", 2018 Asia Communications and Photonics Conference

  W. Sacher, et.al., "Polarization rotator-splitters in standard active silicon photonics platforms", Opt. Exp. 22, 3777(2014)

  Y. Xiong, et.al., "Fabrication tolerant and broadband polarization splitter and rotator based on a taper-etched directional coupler", Opt. Exp. 22, 17458(2014)

  M. Ma, et.al., "Silicon Photonic Polarization Receiver with Automated Stabilization for Arbitrary Input Polarizations", CLEO 2016

  L. Xia, et.al., "Efficient Suspended Coupler With Loss Less Than ?1.4 dB Between Si-Photonic Waveguide and Cleaved Single Mode Fiber", Journ. Light. Tech. 36, 239(2018)

內容來自:光學小豆芽
本文地址://www.xjdtk.icu//Site/CN/News/2019/04/28/20190428033326548906.htm 轉載請保留文章出處
關鍵字: 硅光
文章標題:硅光芯片中的偏振相關器件
【加入收藏夾】  【推薦給好友】 
免責聲明:凡本網注明“訊石光通訊咨詢網”的所有作品,版權均屬于光通訊咨詢網,未經本網授權不得轉載、摘編或利用其它方式使用上述作品。 已經本網授權使用作品的,應在授權范圍內使用,反上述聲明者,本網將追究其相關法律責任。
※我們誠邀媒體同行合作! 聯系方式:訊石光通訊咨詢網新聞中心 電話:0755-82960080-168   Right