基于多模波导光栅的偏振分束旋转器研究

作者及机构
本研究的通讯作者为Xinlun Cai（中山大学电子与信息技术学院），合作团队包括广西医科大学生物医学光子学与工程实验室、美国东卡罗莱纳大学物理系等多家机构的研究人员。论文于2021年9月26日发表在期刊《Crystals》（2021年卷11期，论文编号1170），标题为《Polarization Splitter-Rotator Based on Multimode Waveguide Grating》。

学术背景
硅基绝缘体（SOI）平台因其高集成度和CMOS工艺兼容性成为光子集成电路的研究热点，但其高折射率对比度导致显著的偏振依赖性。在光纤通信等偏振态随机的应用中，偏振分束旋转器（Polarization Splitter-Rotator, PSR）可有效解决这一问题。传统PSR依赖宽带设计，但针对波长敏感应用（如波分复用）时需额外器件，增加了系统复杂度。本研究提出一种基于多模波导光栅（Multimode Waveguide Grating, MWG）的新型PSR，利用mini-stopband（MSB）中的Bloch模式杂化实现高效偏振转换，兼具设计灵活性和工艺简易性。

研究流程
1. 器件设计与原理
- 结构设计：PSR由线性锥形MWG和绝热耦合器（Adiabatic Coupler, AC）组成，采用220 nm厚硅波导和2 μm埋氧层以实现垂直对称性破缺。TE₀模式直通输出，TM₀模式通过MWG反向耦合为TE₁模式，再经AC转换为TE₀模式输出。
- Bloch模式调控：通过三维时域有限差分法（3D-FDTD）计算MWG的能带结构，发现TM₀与TE₁模式在1.536–1.547 μm波长范围内形成MSB，满足相位匹配条件（λ_c/Λ = n_eff1 + n_eff2），耦合系数κ达6.66×10³ m⁻¹。

1. 仿真优化

   • 光栅参数：优化均匀MWG区（Λ=414 nm，δw=100 nm）和锥形区（Λ_min=380 nm，δw_min=10 nm）的周期、刻蚀宽度及光栅数（n=200）。仿真显示TE₀模式传输损耗<0.5 dB，TM₀→TE₁转换效率达98%（1550 nm波段）。
     
   • 容差分析：波导宽度偏差±10 nm时，TM₀模式串扰（CT）仍>30 dB；刻蚀宽度偏差±7.5 nm时，CT>20 dB，表明器件对工艺误差具有鲁棒性。

2. 制备与测试

   • 制备工艺：采用电子束光刻（EBL）和电感耦合等离子体（ICP）刻蚀在SOI平台上制备器件，通过SEM验证锥形区和光栅结构的精度。
     
   • 性能测试：使用C波段可调激光器和偏振控制器测量传输谱。结果显示，TE₀模式消光比（ER）>53 dB，插入损耗（IL）1.2 dB；TM₀模式ER>31 dB，IL 1.5 dB（1552–1562 nm波段），串扰<-26.4 dB。实测波长较仿真偏移10 nm，源于工艺误差。

主要结果
1. 高效偏振转换：MSB内TM₀→TE₁的Bloch模式杂化效率达98%，反向耦合的TE₁模式经AC转换为TE₀模式，最终实现TM₀→TE₀的偏振旋转。
2. 宽带性能：TE₀和TM₀模式在10 nm带宽内的IL分别<1.2 dB和<1.5 dB，优于传统ADC（Asymmetrical Directional Coupler）结构。
3. 应用扩展：通过级联MWG-PSR与光栅辅助反向耦合器（Contra-DC），可构建偏振不敏感的波分复用器，简化多通道偏振复用系统设计。

结论与价值
本研究提出的MWG-PSR通过创新性利用MSB模式杂化，实现了高消光比、低损耗的偏振管理，其工艺兼容性为硅基光子集成提供了新思路。科学价值在于揭示了Bloch模式耦合对偏振调控的潜力，应用价值则体现在光谱操纵器件（如PM-DQPSK收发机）的简化设计。

研究亮点
1. 机理创新：首次将MSB中的Bloch模式反交叉效应应用于PSR设计，突破了传统模式演化或耦合机制的局限。
2. 性能优势：实验验证的ER（>53 dB）和IL（<1.5 dB）为同类器件中的最高水平之一。
3. 工艺友好性：仅需单步光刻和刻蚀，避免了复杂多层结构（如金或SiN覆盖层）的制备难题。

其他价值：该设计可扩展至铌酸锂（LNOI）等其它材料平台，为开发新型偏振调控器件提供了通用框架。