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        硅光芯片中的偏振相关器件

        摘要:由于硅波导的宽度与高度不等,决定了其对偏振敏感,进而需要额外的器件来操控偏振自由度, 使得光场保持在TE模式。而其他材料体系的光芯片,波导可以制备成方形,也就不存在偏振敏感的问题。另外,由于波导加工的不完美性,导致波导结构存在不对称,进而使得光场偏振性质发生改变。

          硅波导的典型尺寸为500nm*220nm,这主要是为了满足单模条件的要求。该尺寸同时支持TE0模和TM0模式,模场分布如下图所示,

          对于TE模,电场的水平分量占主导,对于TM模,电场的竖直分量占主导。需要说明的是,无论哪种模式,电磁场在其他方向上都是有分量的,和传统的TE偏振、TM偏振有些区别,因而也称其为quasi-TE, quasi-TM模。

          从上图中可以看出,TM模的光场主要分布在波导的上下两个面,而TE模主要分布在两个侧面。由于上下两个底面不是通过刻蚀形成的,其粗糙度小于侧壁的粗糙度。因此TM模的传输损耗要小于TE模。尽管如此,光芯片中仍然使用的是TE模式,主要原因有:1)调制器仅支持TE模式,其需要通过脊形波导形成电学结构,2)TM模的弯曲半径更大。

          对于transceiver来讲,其发送端可以保持工作在TE偏振下,但是当光经过光纤传输后,到达发送端的光场偏振状态已经发生了变化,部分光变成了TM光。为了解决这一问题,人们提出了多种片上偏振相关器件。

          1. TE-pass polarizer

          通过一定的结构设计,使得TE模通过,而TM模被过滤掉,其作用类似偏振片。有多种结构:

          a) 级联弯曲波导

        (图片来自文献1)

          主要利用TM模的弯曲损耗较大的性质,经过多个弯曲波导后,TM?;旧⑸涞匠牡字?,TE模则不受影响。

          b)非对称的定向耦合器

          结构如下图所示,

        (图片来自文献2)

          通过选取合适的波导宽度,使得原波导中的TM0模式转变为宽波导中的TM1模,进而散射到衬底中,而TE0模仍然在原波导中传播,不受影响。

          3)宽度渐变的脊形波导

          其结构如下图所示,

        (图片来自文献3)

          该结构主要利用条形波导的TE0??勺晃剐尾ǖ嫉幕?,TM0模无法完成类似的转换,散射到衬底中。

          2. Polarization splitter and rotator

          该器件(以下简称PSR)的主要作用是将TM模和TE模分开在不同路径传播,并且TM模转换为TE模。PSR的结构非常之多(可参看浙大戴道锌老师的综述文献), 但是总结下来,不外乎两大类。

          a) mode-evolution

          利用bi-level taper, 使得TM0模式转换为TE1模式,进而利用不对称的定向耦合器,使得TE1模式转变为TE0模式。典型的结构如下图所示,

        (图片来自文献4)

          b) mode-coupling

          该结构主要利用不对称的定向耦合器,使得一根波导的TM模式与另一根波导的TE模式的有效折射率相等,两者满足相位匹配条件,TM模式转换为另一根波导中的TE模式,典型的结构如下图所示,

        (图片来自文献5)

          基于PSR, 人们提出了polarization diversity的方案,也就是在两个输出端口连接相同的接收光路,如下图所示。该方案将同一光路复制两份,芯片的尺寸增大一倍。

          (图片来自https://res-www.zte.com.cn/mediares/magazine/publication/com_cn/article/201804/ZHAOYingxuan.pdf)

          另外一种方案是基于MZI进行反馈控制,使得两路中的TE模式进行干涉,最终光场全部集中在一根波导中,如下图所示。该方案需要设计反馈控制算法。

        (图片来自文献6)

          此外偏振不敏感的edge coupler也是其中的一个关键器件,典型的结构为悬臂梁型端面耦合器, 硅波导的tip宽度为90nm左右,如下图所示,

        (图片来自文献7)

          使用单模光纤,该结构的TE与TM模的耦合损耗都可以达到1.3dB。

          以上是对硅光芯片中偏振相关器件的一个总结,由于硅波导的宽度与高度不等,决定了其对偏振敏感,进而需要额外的器件来操控偏振自由度, 使得光场保持在TE模式。而其他材料体系的光芯片,波导可以制备成方形,也就不存在偏振敏感的问题。另外,由于波导加工的不完美性,导致波导结构存在不对称,进而使得光场偏振性质发生改变。在分析实验结果的时候,可能会遇到这一问题。

          参考文献:

          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)

        内容来自:光学小豆芽
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        关键字: 硅光
        文章标题:硅光芯片中的偏振相关器件
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