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低偏振相关损耗和高容差的二维光栅耦合器 | 光电子器件与集成功能实验室

2019-09-19

由于高集成度和良好的CMOS兼容性,硅基平台正成为光子集成电路一个强大而新颖的平台,同时硅的发光效率极低,目前主要采用外部光源,但这同时也带来了一个光源耦合的问题:硅基波导中传输的模斑尺寸和单模光纤中传输的模斑尺寸严重不匹配。针对这一问题,主要的解决方案有两种:端面耦合和垂直耦合。

与端面耦合技术相比,基于光栅耦合器的垂直耦合技术因其更高的灵活性,较大的对准容差,易于制造和测试,被广泛应用。目前高耦合效率的垂直耦合技术主要基于一维光栅耦合器,但是一维光栅耦合器几乎都是偏振相关的,只能耦合特定的偏振态,对其它偏振态会产生较大的偏振相关损耗(PDL),因此有学者提出了基于二维光栅耦合器的垂直耦合技术。二维光栅耦合器可以简单地理解为由两个正交取向的一维光栅耦合器叠加形成,它可以把光纤内不同的偏振态分解成两个正交的偏振态,分别耦合到波导中,同时实现光信号的耦合、偏振分束以及偏振旋转。为了进一步降低倾斜耦合带来的PDL,学者们提出带移相器的有源方案和多种特殊刻蚀图案的无源方案,但是这些方案都有其不足之处,如有源方案需要额外的功耗,梅花型等刻蚀图案需要高精度的制作。

为了克服这个难题,华中科技大学武汉光电国家研究中心的董建绩教授提出了一种简单的类椭圆刻蚀图案(图1所示),使得二维光栅耦合器可以实现超低PDL和高制造容差。方案中提出的类椭圆刻蚀图案,是由两个相同的半圆,以及一个内嵌矩形组成。通过调节矩形的长度,我们可以改变有效折射率的分布,从而使两个正交偏振态的传输谱线产生的漂移差值减少,最终使得该二维光栅耦合器在C波段内实现超低PDL,该工作为二维光栅耦合器的设计提供了技术参考和新的思路。

图1.(a)传统二维光栅耦合器的示意图。 (b)新型二维光栅耦合器的俯视图。

实验结果证明,在C波段范围内,耦合效率为-4.2dB,PDL值为0.2dB。另外,如图2所示,当半圆半径、矩形长度产生±20nm的制造误差时,该二维光栅耦合器仍能在C波段范围内保持较低的PDL。另外,类椭圆刻蚀图案能提供310nm的大特征尺寸,大大地降低制造难度。该设计在耦合效率、PDL和制造容差中取得一个良好的平衡。

图2.(a)传统二维光栅与新型二维光栅的实验结果比较。(b)不同结构参数的新型光栅的实验值比较。

相关研究成果近期发表在Optics Express期刊上,董建绩教授为通讯作者,薛艳云为第一作者,该工作得到了国家自然科学基金委(61622502, 61805090)的支持。

文献链接:https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-16-22268

[1] Y. Xue, H. Chen, Y. Bao, J. Dong and X. Zhang, “Two-dimensional silicon photonic grating coupler with low polarization-dependent loss and high tolerance,” Opt. Express, 27, 22268 (2019).

(来源:武汉光电国家研究中心



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