基于单一蚀刻衍射光栅器件的偏振无关波长解复用器

波分复用(WDM)以其低成本、高容量等突出优势成为光通信的重要技术之一^1，2，通过携带多波长光的信号，克服了单根光纤的传输限制^3.，4．波长复用器和解复用器分别组合和分离多波长光，是WDM系统的关键器件。然而，由于网络光纤中光的偏振状态(SOP)的变化，解复用器必须能够在任意的SOP中工作，以避免严重的偏振依赖损耗(PDL)问题。^5，6．通常，偏振无关的解复用器可以很容易地在SiO上制造₂基于平面光电路(PLC)平台;不幸的是，这种器件占地面积大，不能与光电二极管(pd)整体集成，导致集成密度降低^7，8，9．相比之下，基于inp的解复用器可以与pd单片集成，并且与极化无关^10，11．然而，它们仍然面临着占地面积大、成本高的问题。最近，硅光子(SiPh)集成被认为是构建WDM系统的一个非常有前途的平台，具有高密度单片集成、低成本和兼容互补金属氧化物半导体处理的优点¹²．然而，由于硅基波导的结构双折射，在SiPh平台上的解复用器的操作通常仅限于单偏振^{13，14，15，16，17，18，19}．

极化分集方案^{20.，21，22，23，24}有效地解决了硅基平台上器件极化依赖问题，该平台需要两组相似的光电路进行信号处理。在该系统中，具有任意SOPs的光被分为TE(横向电偏振)和TM(横向磁偏振);然后将它们转换为相同的TE/TM偏振，分别传输到两组相似的光电路中进行处理。最后，将它们转换回不同的TE/TM偏振进行组合和输出。最近，研究人员通过级联单个多路复用器与偏振分束器等偏振处理设备，开发了更简化的与偏振无关的多路复用器^25，26或者一系列极化旋转器^27，28．在这些器件中，偏振色散通过偏振分束器或偏振旋转器来补偿角色散。为了减少插入损耗，已经提出了其他与偏振无关的解复用器设计。一种是基于厚顶硅基平台²⁹，在这种情况下，大截面波导可以实现低偏振依赖性。此外，利用纳米结构自由传播区(FPR)进行偏振色散补偿^30.，31．然而，目前还没有关于实现极化独立的报道，平衡小占地面积，简单的过程和低损耗。因此，对于SiPh器件来说，处理接收光束的任意sop进行波长解复用仍然是一个尚未解决的严重问题;它需要一个单独的大型二氧化硅PLC解复用芯片，该芯片必须与单片集成SiPh芯片一起封装在商用收发器中^8，9．

在这里，我们提出了一种基于单SiPh蚀刻衍射光栅(EDG)器件的偏振无关波长解复用器。利用高折射率对比平板波导TE偏振和TM偏振的有效折射率差异，可以将不同偏振和波长的光传输到EDG罗兰圆上的不同输出通道。因此，在单个EDG器件中可以同时实现波长和偏振的解复用。基于这一思想，制备了一种用于粗波分复用(CWDM)的极化无关EDG解复用器，并在氮化硅(Si_3.N₄)薄膜平台。测量结果表明，在四个目标波长下，EDG的插入损耗在0.5 dB ~ 2.4 dB之间，串扰低于−30 dB, pdl在0.5 ~ 1.8 dB之间。此外，对入射光的SOP的扫描显示，四个波长的输出几乎保持稳定，赤道的标准偏差为0.4-0.5 dB, Poincaré球体的经度为0.2-0.3 dB。这些结果证明，利用单个EDG器件成功地实现了低损耗的偏振无关波长解复用器。这项工作为在SiPh和其他平台上使用双折射波导器件的依赖偏振的WDM收发器提供了一个通用的解决方案。

原理及设计

所提出的非极化EDG解复用器原理图如图所示。1．EDG利用由波长相关折射率引起的相位差来实现波长复用和解复用。由于内部的双折射，TE和TM偏振的有效折射率通常存在差异，从而导致EDG偏振依赖。然而，在我们的设计中，这种偏振色散被用作一个新的自由度来构建一个对偏振和波长都有用的多维解复用器。通过精心设计偏振色散，实现EDG在偏振维度上的相位匹配，在罗兰圆内分离不同偏振的光束，实现基于波长解复用的偏振解复用。所提出的EDG器件是在Si上制备的_3.N₄薄膜平台由四个主要部件组成，分别是用于输入信号光的输入波导、用于光传输的FPR、用于反射和汇聚多波长多极化信号光的蚀刻光栅和用于输出理想信号光的TE/TM输出波导。此外，一维布拉格光栅^32，33，通常用于增加EDG齿的反射效率，在光栅齿后面添加。当任意SOPs中多波长的光输入到专门设计的EDG时，它将被解复用成多束单偏振(TE/TM)和单波长的光束，并根据偏振和波长在不同的通道中输出。通过将输出的相同波长的TE和TM光束馈送到一个PD中，在单个EDG器件中实现了偏振无关的波长解复用。

EDG的设计通常基于闪耀光栅和罗兰安装原理^34，35．我们的EDG首先在TE偏振下被识别，然后在TM偏振下分析其运作，如图所示。1 b．位于罗兰圆(绿色虚线)和光栅圆切点上的光栅齿被认为是中心光栅齿(0^th)．l_f为罗兰圆直径，l₀而且l_0了为中心光栅齿的有效入射光路和输出光路，l_k在而且l_k出是否有效的入射光路和输出光路k_th光栅齿，分别和θ_在而且θ_出分别为入射角和衍射角。θ_k是光栅圆的圆角，对应于每个光栅齿的中点。EDG需要满足光程差，如式(1)，因此，θ_出满足与有效折射率的关系n_eff的FPR平板波导，如式(2)，与偏振有关。

在哪里米是衍射级数，λ入射光的波长，和n_eff是传播介质的有效折射率，通常认为是平板波导基模的有效折射率。式中(2)，l_亲属，l₀，θ_k，k，米，λ,l_f是确定的，且与偏振无关(见补充注1和无花果。S1而且S2)．因此，光的输出角度θ_出可以通过有效折射率来确定吗n_effFPR平板波导。由于……的巨大差异n_effTE和TM偏振之间，θ_出TE偏振光和TM偏振光的值不同，说明TE和TM光束以及不同波长的光输出在罗兰圆的不同位置，即不同偏振光和不同波长的光信号可以完全分离。

需要进一步的设计来分离所需波长范围内的偏振。通过改变平板波导的材料和厚度，可以调节平板波导的偏振色散。在这项研究中，Si_3.N₄选择它是因为它的低传播损耗，低热光学效应，以及互补的金属氧化物-半导体加工兼容性^28，36．不同Si FPR平板波导中TE和TM基模的有效折射率_3.N₄对层厚进行模拟，如图所示。1 c．作为Si_3.N₄层变薄，TE和TM偏振之间的折射率差增大，导致TE和TM偏振下输出角之间的分离更大，根据式(1)．在这种情况下，o波段(定义为两个偏振输出不重叠时的波长范围)的工作带宽也增加了很多，如图计算结果所示。1 c．然而，为了降低EDG解复用器的损耗和串扰，布拉格光栅需要更厚的硅_3.N₄层保持足够的反射带宽。模拟了不同Si对布拉格光栅反射带宽的影响_3.N₄并验证了在1270-1340 nm波长范围内，厚度大于280 nm可以保持足够的反射带宽，而偏振分离色散需要Si_3.N₄层厚小于325 nm。因此，一个平衡的硅_3.N₄层厚为310nm(详见附注)2和无花果。S3)．此外，输入和输出波导通过锥形波导连接到FPR上，以减少耦合损耗。精心优化了几个几何参数，包括布拉格光栅周期(418 nm)、衍射阶数(米= 3)，输出波导间距(d= 5 μm)(详见图。S3- - - - - -S6附注2)．最后，得到了一种低损耗o波段CWDM解复用器，用于偏振无关的波长解复用。

仿真结果

通过Lumerical 2.5D时域有限差分软件仿真验证了偏振无关EDG解复用器的工作，如图所示。2．当输入TE偏振的多波长复用光时，解复用光束从通道1-4输出，而通道5-8输出非常少。相反，在TM偏振的情况下，光束从通道5-8输出，而通道1-4输出有限。这一事实表明TE/TM偏振随EDG中的波长而被解复用。te极化信号的通道插入损耗分别为1.2 dB (1271.1 nm)、0.9 dB (1291.7 nm)、0.6 dB (1311.1 nm)和0.7 dB (1331.0 nm)，而tm极化信号的通道插入损耗分别为1.2 dB (1271.1 nm)、0.9 dB (1291.7 nm)、0.8 dB (1311.1 nm)和0.9 dB (1331.0 nm)。该器件表现出良好的损耗均匀性(约0.5 dB)和低串扰(优于- 28 dB)，这主要是由相邻通道的耦合引起的。PDL小于0.2 dB，具有良好的极化无关性能。值得注意的是，由于TE和TM偏振被分离到不同的通道中，TE和TM偏振的输出位置可以根据罗兰圆上的线性色散独立调整。因此，可以获得更大的设计自由度，并且可以很容易地将EDG波长移位对偏振的依赖降低到几乎为零。

所制作装置的测量结果

所提出的偏振无关解复用器被制作和测试。制造和测量过程的细节在方法一节中描述。制备的EDG占地面积为320 × 230 μm²，该装置的扫描电镜(SEM)图像如图所示。3.．数字3、c为图中矩形区域的放大视图。3 b．数字3图中为用锥形波导连接FPR的输入和输出波导。3 c描述了蚀刻光栅齿后的布拉格光栅。

使用图中所示的实验装置对EDG解复用器进行了表征。4．图中的归一化透射光谱。四氟从图中可以看出，EDG成功地将TE和TM复用的多波长光分离到不同的输出通道中，这与图中的仿真结果一致。2．te极化输入输出光的峰值波长分别为1284.2 nm、1303.9 nm、1322.9 nm和1342.3 nm, tm极化输入输出光的峰值波长分别为1283.2 nm、1303.5 nm、1322 nm和1341 nm。与模拟结果相比，我们观察到大约12 nm左右的输出波长红移，这被认为是由于Si厚度的意外变化引起的_3.N₄Si层_3.N₄薄膜沉积。根据误差分析(见补充说明)3.和无花果。S7)，大约10 nm的厚度变化导致6-8 nm的位移(对于310 nm厚的Si_3.N₄层)在EDG输出的波长中，由于有效折射率的变化。以及Si的测量厚度_3.N₄在本研究中，Layer的变化约为19.2 nm，与模拟结果吻合较好。当Si_3.N₄层厚增加到500 nm，波长偏移从10 nm厚度变化减小到3-4 nm。然而，由于CWDM4设计所要求的带宽范围(如图2所示)。S8)，我们只能选择更薄的Si_3.N₄层。然而，EDG波长间隔仍然接近设计值20 nm。te极化输入通道的插入损耗分别为2.4 dB、2.3 dB、2.3 dB和1.3 dB, tm极化输入通道的插入损耗分别为1.9 dB、1.1 dB、0.5 dB和2.2 dB, pdl为0.5 - 1.8 dB。TE和TM极化的串扰均优于- 30 dB。与模拟结果相比，插入损耗和pdl的增加主要是由于布拉格光栅侧壁的垂直度和粗糙度，可以通过进一步优化制作工艺来改善。

在任意标准操作规程中进行设备测试

为了测试EDG器件在任意SOP下的性能，用偏振合成器扫描输入光的SOP，可以在固定波长产生所需的SOP信号。后退水平控制(RHC)轨迹(见图。5)，使输入光的SOP从TM线偏振演变为TE线偏振，方位角从0°逐渐变化到180°。结果如图所示。5中．尽管TE和TM的输出强度根据Malus定律变化较大且趋势相反，但在同一波长(黑色固体)下，两个极化通道的总输出均接近恒定值2.21 dB、1.85 dB、2.88 dB和2.27 dB，四个波长的标准差分别为0.39 dB、0.35 dB、0.37 dB和0.54 dB。这表明PD从叠加光接收到的光信号在任意线性偏振输入光下保持稳定。

此外，还研究了偏振相位对器件的影响，如图所示。6．改变输入光的偏振相位，使输入光SOP沿LP0轨迹从−45°线偏振到椭圆偏振和圆偏振再到45°线偏振，而TE和TM偏振强度固定且相等。数字6结果表明，TE和TM偏振叠加输出随偏振相位变化稳定在1.75 dB、1.58 dB、2.13 dB和2.12 dB，标准偏差分别为0.29 dB、0.31 dB、0.20 dB和0.30 dB。这说明偏振相位的变化对器件的工作影响不大。因此，EDG可以在任何线性、椭圆和圆偏振光输入下独立工作。在上述实验的基础上，利用单个EDG器件成功地实现了一种高效的非极化波长解复用器。

本文提出了一种利用双折射效应的偏振无关波长解复用器的设计方法，该方法可推广到许多平面波长解复用器件，如edg和阵列波导光栅。该设计原理已成功应用于硅基硅上的EDG器件_3.N₄实验制备了一种偏振无关波长EDG解复用器。通过对输入光偏振的扫描测量表明，在4个解复用波长下，Poincaré球的赤道和Poincaré球的经度分别为0.4-0.5 dB和0.2-0.3 dB，可以获得稳定的输出，证明了EDG器件良好的偏振无关特性。EDG器件的插入损耗为0.5-2.4 dB, pdl为0.5-1.8 dB，四个输出波长的串扰均优于−30 dB。本文提出的器件与其他WDM器件的比较可以在补充说明中找到4和表S1．这种结构紧凑、低损耗、与偏振无关的波长解复用器可以在SiPh平台上与pd和其他器件单片集成，在电信和数据通信系统中具有广泛的适用性。我们提出的利用双折射效应的设计方案，不仅简化了WDM接收机中解复用器的器件结构，而且为在SiPh平台上设计其他偏振无关器件提供了一个有前景的解决方案。

设备制造

所提出的解复用器是在氮化硅平台上与硅_3.N₄芯层厚度为310nm，埋层氧化层厚度为2 μm。“社会党国际”_3.N₄层与SiH沉积₄和N₂通过等离子体增强化学气相沉积。宽度为800nm的波导和EDG图案是通过电子束光刻和Si的完全蚀刻来定义的_3.N₄通过电感耦合等离子体(ICP)干刻蚀层。1 μm厚的SiO₂层被沉积在设备上作为顶部熔覆层。该设备的SEM图像如图所示。3.．

设备描述

使用波长可调激光器(Santec, TSL-510)、光功率计(Yokogawa, AQ2211)、偏振合成器(General Photonics, psy201)和端面光纤耦合测试系统进行测量。实验装置如图所示。4．在测量过程中，波长可调激光器将目标波长的光输出到偏振合成器，由偏振合成器控制光的偏振，并用目标SOP将光输出到端面光纤耦合系统，端面光纤耦合系统将光与EDG芯片耦合。芯片输出端的信号与接收光纤耦合后传输到光功率计。所有仪表控制和数据记录均由计算机实现。在芯片中加入参考波导进行系统损耗测量，使EDG器件损耗归一化。参考波导仅由直波导和弯曲波导组成，其中弯曲波导的弯曲半径和长度与EDG相同。利用参考波导，可以对光纤-波导耦合损耗、直波导损耗和弯波导损耗进行滤波，得到EDG器件归一化的片上插入损耗。