多层氮化硅波导

这篇笔记延续上篇笔记关于氮化硅波导体系的讨论，整理下基于多层氮化硅波导体系的典型光器件。

1. 端面耦合器

基于多层SiN波导，可以将波导的模斑尺寸扩大，设计出和单模光纤相匹配的端面耦合器。典型的结构如下图所示，

(图片来自文献1)

该端面耦合器由三层SiN波导阵列构成，每层SiN由4根波导构成。需精心设计每根波导间的距离，以及不同SiN层之间的距离。实验中，该耦合器与MFD=6.6um光纤的耦合损耗小于0.5dB, 且对偏振不敏感。

Elenion公司有一个类似的耦合器设计专利，其结构如下图所示，

（图片来自文献2）

该端面耦合器由四根SiN波导构成，SiN波导彼此间的距离为2um， SiN波导的尺寸为300nm*120nm。该结构可实现与单模光纤的高效耦合。

相比于悬臂梁型的端面耦合器，基于SiN波导阵列的端面耦合器在机械性能上会更加稳固，不易损坏，利于封装。

2. Crossing结构

SiN的折射率为2.0左右，因而当光从Si波导中输入时，SiN对光的影响较小。但是当光从SiN波导中输入时，需要控制好SiN波导与Si波导之间的距离(gap>=1.5um)，如下图所示，

（图片来自文献3）

3. 热不敏感的Mach-Zehnder干涉器

SiN的热光系数比Si低一个量级，因此可将MZ干涉器的两臂更改为SiN波导，减小温度变化带来的中心波长漂移，典型的结构如下图所示，

(图片来自文献4)

4. 基于SiN波导的Mux/DeMux

SiN波导的折射率对比度比Si小，因此对波导尺寸的敏感度降低，并且其热光系数较小，因此可利用其制备容差大、热不敏感的滤波器。当然，缺陷是器件的尺寸比Si波导的相应器件大得多（典型的弯曲半径为50um）。

另外，SiN波导可工作在可见光波段，这是其相比于硅波导的另一个优势。

下表是目前一些SiN波导加工平台的对比，在C波段典型的SiN波导尺寸是1000nm*400nm, 其传播损耗为1dB/cm左右。

（表格来自文献5）

下图是多伦多大学的三层光波导截面示意图。可以利用SiN2和Si波导层，形成crossing结构，而SiN1层作为两者之间光场转换的桥梁，比较巧妙。

（图片来自文献6）

基于两层SiN波导体系，NIST研究组实现了10个输入端口，100个输出端口的routing光路演示，其光路结构如下图所示，

（图片来自文献7）

对于不同波导层之间光场的转移，通常采用两个方向相反的taper结构，将光从一层波导逐渐演变到另一层波导中，结构如下图所示，

(图片来自文献6)

简单小结一下，多层氮化硅波导提供了一个新的维度进行光器件的设计，也可以完成光信号在三维波导结构中的互联。SiN波导的热光系数小、加工容差性强、可工作在可见光波段等优势也使得其在一些特定器件中性能优于Si波导。但是光信号的调制与探测还是必须通过Si波导来完成。因此，SiN波导可以作为Si波导一个比较好的补充，用于一些特定的器件设计。

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. M. Picard, et.al., "Novel Spot-Size Converter for Optical Fiber to sub-um SiliconWaveguide Coupling with Low Loss, Low Wavelength Dependence and High Tolerance to Alignment"
2. A. Novack, et.al. , "Edge coupler", US patent 9766408B2
3. R. Konoike, et.al., "SiN/Si double-layer platform for ultralow-crosstalk multiport optical switches ", Opt. Exp. 27, 21131(2019).
4. T. Hiraki, et.al., "Small sensitivity to temperature variations of Si-photonic Mach-Zehnder interferometer using Si and SiN waveguide"
5. P. Munoz, et.al., "State of the Art of Silicon Nitride Photonics Integration Platform ", ICTON 2017
6. J. Poon， et.al. , "Tri-layer silicon nitride-on-silicon photonic platform for ultra-low-loss crossings and interlayer transitions ", Opt. Exp. 25, 30862(2017)
7. J. Chiles, et.al., "Design, fabrication, and metrology of 10*100 multi-planar integrated photonic routing manifolds for neural networks", APL photonics 3, 106101(2018)