这篇笔记整理下硅光芯片中的偏振相关器件。
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模基本散射到衬底中,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模可转换为脊形波导的基模,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。
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参考文献: