硅光芯片中的偏振相關(guān)器件

  硅波導(dǎo)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(shí)支持TE0模和TM0模式，模場(chǎng)分布如下圖所示，

  對(duì)于TE模，電場(chǎng)的水平分量占主導(dǎo)，對(duì)于TM模，電場(chǎng)的豎直分量占主導(dǎo)。需要說(shuō)明的是，無(wú)論哪種模式，電磁場(chǎng)在其他方向上都是有分量的，和傳統(tǒng)的TE偏振、TM偏振有些區(qū)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(chǎng)主要分布在波導(dǎo)的上下兩個(gè)面，而TE模主要分布在兩個(gè)側(cè)面。由于上下兩個(gè)底面不是通過(guò)刻蝕形成的，其粗糙度小于側(cè)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(diào)制器僅支持TE模式，其需要通過(guò)脊形波導(dǎo)形成電學(xué)結(jié)構(gòu)，2)TM模的彎曲半徑更大。

  對(duì)于transceiver來(lái)講，其發(fā)送端可以保持工作在TE偏振下，但是當(dāng)光經(jīng)過(guò)光纖傳輸后，到達(dá)發(fā)送端的光場(chǎng)偏振狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了變化，部分光變成了TM光。為了解決這一問(wèn)題，人們提出了多種片上偏振相關(guān)器件。

  1. TE-pass polarizer

  通過(guò)一定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得TE模通過(guò)，而TM模被過(guò)濾掉，其作用類似偏振片。有多種結(jié)構(gòu)：

  a) 級(jí)聯(lián)彎曲波導(dǎo)

(圖片來(lái)自文獻(xiàn)1)

  主要利用TM模的彎曲損耗較大的性質(zhì)，經(jīng)過(guò)多個(gè)彎曲波導(dǎo)后，TM模基本散射到襯底中，TE模則不受影響。

  b)非對(duì)稱的定向耦合器

  結(jié)構(gòu)如下圖所示，

(圖片來(lái)自文獻(xiàn)2)

  通過(guò)選取合適的波導(dǎo)寬度，使得原波導(dǎo)中的TM0模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷挷▽?dǎo)中的TM1模，進(jìn)而散射到襯底中，而TE0模仍然在原波導(dǎo)中傳播，不受影響。

  3)寬度漸變的脊形波導(dǎo)

  其結(jié)構(gòu)如下圖所示，

(圖片來(lái)自文獻(xiàn)3)

  該結(jié)構(gòu)主要利用條形波導(dǎo)的TE0?？赊D(zhuǎn)換為脊形波導(dǎo)的基模，TM0模無(wú)法完成類似的轉(zhuǎn)換，散射到襯底中。

  2. Polarization splitter and rotator

  該器件(以下簡(jiǎn)稱PSR)的主要作用是將TM模和TE模分開(kāi)在不同路徑傳播，并且TM模轉(zhuǎn)換為T(mén)E模。PSR的結(jié)構(gòu)非常之多(可參看浙大戴道鋅老師的綜述文獻(xiàn)), 但是總結(jié)下來(lái)，不外乎兩大類。

  a) mode-evolution

  利用bi-level taper, 使得TM0模式轉(zhuǎn)換為T(mén)E1模式，進(jìn)而利用不對(duì)稱的定向耦合器，使得TE1模式轉(zhuǎn)變?yōu)門(mén)E0模式。典型的結(jié)構(gòu)如下圖所示，

(圖片來(lái)自文獻(xiàn)4)

  b) mode-coupling

  該結(jié)構(gòu)主要利用不對(duì)稱的定向耦合器，使得一根波導(dǎo)的TM模式與另一根波導(dǎo)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(zhuǎn)換為另一根波導(dǎo)中的TE模式，典型的結(jié)構(gòu)如下圖所示，

(圖片來(lái)自文獻(xiàn)5)

  基于PSR, 人們提出了polarization diversity的方案，也就是在兩個(gè)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(fù)制兩份，芯片的尺寸增大一倍。

  (圖片來(lái)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(jìn)行反饋控制，使得兩路中的TE模式進(jìn)行干涉，最終光場(chǎng)全部集中在一根波導(dǎo)中，如下圖所示。該方案需要設(shè)計(jì)反饋控制算法。

(圖片來(lái)自文獻(xiàn)6)

  此外偏振不敏感的edge coupler也是其中的一個(gè)關(guān)鍵器件，典型的結(jié)構(gòu)為懸臂梁型端面耦合器, 硅波導(dǎo)的tip寬度為90nm左右，如下圖所示，

(圖片來(lái)自文獻(xiàn)7)

  使用單模光纖，該結(jié)構(gòu)的TE與TM模的耦合損耗都可以達(dá)到1.3dB。

  以上是對(duì)硅光芯片中偏振相關(guān)器件的一個(gè)總結(jié)，由于硅波導(dǎo)的寬度與高度不等，決定了其對(duì)偏振敏感，進(jìn)而需要額外的器件來(lái)操控偏振自由度, 使得光場(chǎng)保持在TE模式。而其他材料體系的光芯片，波導(dǎo)可以制備成方形，也就不存在偏振敏感的問(wèn)題。另外，由于波導(dǎo)加工的不完美性，導(dǎo)致波導(dǎo)結(jié)構(gòu)存在不對(duì)稱，進(jìn)而使得光場(chǎng)偏振性質(zhì)發(fā)生改變。在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的時(shí)候，可能會(huì)遇到這一問(wèn)題。

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