这篇笔记整理下硅光芯片中常见的adiabatic型结构。
Adiabatic,意思是绝热,这一概念来源于量子力学中的绝热近似(adiabatic approximation)。所谓绝热定理,是指对于一个量子系统,如果所受的微扰变化得非常缓慢,系统仍然处于当前时刻的本征态。这个定理有点像“温水煮青蛙”,把青蛙的“平静”与“躁动”看成两个本征态,水慢慢煮开,而青蛙一直很平静,没有察觉到水温的变化。
这一概念拓展到光学中,就可以形成绝热演变型结构。沿着光场的传播方向,结构的某个参数发生缓慢变化,如果初始位置光场的模式为基模,那么最终位置处光场的模式仍为系统的基模,尽管不同位置处的基模发生了较大的变化。
以下根据不同的功能进行分别介绍,
1)Taper型波导
在集成光路中,有些情景下我们需要使用较宽的波导(宽波导的损耗较小,并且对宽度的敏感度降低)。但是宽波导包含多个模式,为了只激发它的基模,我们使用一个taper型波导,将波导宽度缓慢变大,保证光场一直为波导的基模,如下图所示。taper型波导宽度可以是线性变化、抛物线型变化等。
(图片来自https://apps.lumerical.com/pic_passive_tapers_soi_compare_3dfdtd.html)
2)模斑转换器
硅波导的模斑尺寸无法与光纤匹配,人们提出了在硅波导外侧包覆一层聚合物,聚合物与SiO2形成模斑更大的波导,沿着波导传播方向,光场逐渐转移到聚合物波导中,尽管光场一直处于系统的基模。
(图片来自https://www.zurich.ibm.com/st/photonics/adiabatic.html)
类似的结构也常用于III-V混合集成系统中,将III-V激光器中的光场逐渐转移到底部硅波导中,如下图所示,
(图片来自文献1)
3)3dB耦合器
传统的定向耦合器,两根波导的宽度与间距保持不变,经过一定的耦合长度,达到想要的分光比(splitting ratio)。但是该结构对工艺敏感,并且只能工作在较小的波长范围内。而绝热演变型定向耦合器可以较好地解决上述的问题,对工艺不敏感,并且可以工作在较宽波长范围内。典型的结构如下图所示,
(图片来自文献2)
沿着波导传播方向,两根波导的宽度缓慢变化,间距保持不变,无论是从Input1还是Input2输入,光场始终保持整个系统的基模与一阶模,从而达到3dB分光的目的, 如下图所示,
(图片来自文献2)
4)模式复用器件
典型的结构如下图所示,该结构与3dB定向耦合器类似,也是采用宽度渐变的定向耦合器,区别在于其gap也在逐渐变小。上波导的TE0模式最终转变为宽波导的TE0,而下波导的基模转换为宽波导的TE1,两种模式在同一根波导中传播,即所谓的模式复用。
(图片来自文献3)
上述的模式复用adiabatic耦合器,结合bi-level型taper结构,可以实现偏振旋转分束的功能。Bi-level型taper将TM0模式转换为TE1模式,然后 adiabatic耦合器解模式复用,将TE1模式转换为下面一根波导的TE0模式。初始输入的TE0模式保持不变,从上波导输出。
(图片来自文献4)
以上是对adiabatic型结构的简单总结,虽然分了这么多类,但其实都可以归结为mode evolution。虽然沿着波导传播方向,不同位置波导结构发生了变化,光场模式发生了很大变化,但由于是缓慢变化,光场似乎并没有知悉横向结构的变化,而是逐渐转变(mode evolution)为我们所需要的模式,从而实现特定的功能。
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参考文献: