基于SiN波导的级联Mach-Zehnder型DeMux

最近工作比较忙，公众号许久没有更新。好几位朋友留言问啥时候更新，感谢大家对小豆芽一直以来的关注。

这篇笔记聊一聊基于SiN波导的解波分复用器(DeMux)。CWDM4光模块中，Mux/DeMux是其核心器件。传统光模块中，采用AWG或者薄膜滤波片的方案。人们一直致力于在硅光芯片上集成Mux/DeMux。Mux的实现难度相对较小，目前Intel和Luxtera的硅光产品中都已经实现了片上集成的Mux。下图是Intel的CWDM4硅光芯片结构示意图。在实际产品中，接收端的DeMux并没有采用片上集成的方式，仍然采用的是片外分立元件的方案。

（图片来自文献1）

DeMux的难点在哪里？主要是受良率的影响，这其中硅波导厚度的影响较大。Si波导的厚度通常为220nm, 晶圆厂提供的SOI厚度范围一般是+/-10nm，但是10nm的厚度会导致中心波长10nm左右的偏移，这一点是致命的。 CWDM的通带宽度是13nm (中心波长+/6.5nm)，也就是说某一波长可能因为DeMux中心波长的偏移而传输到错误的通道中。另外一个因素是温度变化带来的波长平移，硅材料的热光系数（1.86*10^-4/K）较大, 温度变化50℃，波长平移约3.5nm，影响也比较大。此外，由于光纤中光的偏振态发生变化，而硅波导是对偏振敏感的，因而在接收端需要有偏振转换器件，使得光场的偏振全部转换为TE偏振。

SiN波导相比于Si波导，有几点优势：

1）SiN的折射率比Si小，折射率对比度小，其波导尺寸较大，因而其对波导厚度的敏感性降低，DeMux的良率可以得到提高；

2）SiN的热光系数较小，比Si小一个量级，温度变化带来的影响大大减小。

3）SiN波导可制作成方形波导，从而不再需要偏振转换器件，降低光路的复杂性，缩小芯片尺寸。

4）SiN波导的传输损耗降低，可进一步降低片上的损耗。

实现DeMux的主要结构有三种：AWG, 阶梯光栅(echelle grating)和级联Mach-Zehnder型。级联Mach-Zehnder型Mux/DeMux的插损较小，光谱的平顶较宽。典型的结构如下图所示。其工作原理是采用特定分光比的定向耦合器与特定长度的延迟线(delay line), 不同波长经过多个MZI的干涉，最终在特定的端口输出。

（图片来自文献2）

采用SiN波导，基于级联MZI结构的DeMux进展主要有两篇文献。两篇工作的侧重点不一样，分别是温度的不敏感性和偏振的不敏感性。第一篇进展由华中科大夏金松老师研究组完成，其SiN波导的尺寸为1.1um * 340nm, 其光路结构如下图所示，

（图片来自文献3）

下图是两种温度下的光谱测量结果，中心波长的平移较小，约为18.5pm/K，相比硅波导降低了75%。

（图片来自文献3）

其主要测试指标如下表所示，性能是非常优异的。

（表格来自文献3）

由于每一个stage只采用了单个级联MZI结构，可以通过多个级联结构，使得光谱的串扰近一步降低，从而达到CWDM4 MSA的要求。

另一篇进展由加拿大多伦多大学研究组完成，其波导尺寸为600nm*600nm, 结构示意图如下图所示，每一个stage由三个相同的级联MZI构成，用于降低插损。

（图片来自文献4）

不同偏振态的测试结果如下图所示，

（图片来自文献4）

左图为两种偏振态杂乱输入(scrambled polarization)时的光谱，可以看出光谱性质并不是特别好，平顶不够平坦。整个光谱的插损小于2.8dB, 串扰小于 -11.5dB。由于SiN折射率的误差，导致整个光谱发生了红移。右图是单个通道不同偏振下的光谱，可以看出偏振态的变化对光谱的影响非常小。

实验中他们还对同一个wafer不同位置的die进行了测量分析，用于验证SiN DeMux的鲁棒性。

以上是对基于SiN波导的DeMux研究进展的简单介绍，总体说来，SiN波导实现DeMux具有一定的优势，尤其是其对温度的敏感性大大降低。目前多个硅光foundry提供SiN波导的制程，包括IMEC、Leti等。采用SiN波导制作DeMux, 是提高DeMux良率的可行方案之一，但能否最终胜出，有待产业界进一步的检验。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. A. Alduino, "Demonstration of a High Speed 4-Channel Integrated Silicon Photonics WDM Link with Hybrid Silicon Lasers"
2. F. Horst, et.al., "Cascaded Mach-Zehnder wavelength filters in silicon photonics for low loss and flat pass-band WDM (de-)multiplexing", Opt. Exp. 21, 11652(2013)
3. G.Gao, et.al., "Silicon nitride O-band (de)multiplexers with low thermal sensitivity ", Opt. Exp. 25, 12260(2017)
4. J. C. Mikkelsen, et.al., "Polarization-insensitive silicon nitride Mach-Zehnder lattice wavelength demultiplexers for CWDM in the O-band ", Opt. Exp. 26, 30076(2018)