硅波导模式演化偏振旋转器的研究进展

作者及机构
本研究的通讯作者为Jing Zhang、Mingbin Yu、Guo-Qiang (Patrick) Lo（IEEE会员）和Dim-Lee Kwong（IEEE会士），均来自新加坡科技研究局（A*STAR）微电子研究院（Institute of Microelectronics, A*STAR）。该研究发表于2010年1月/2月的《IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics》第16卷第1期。

研究背景

硅光子学（Silicon Photonics）近年来因其在超小型光子集成电路中的潜力而备受关注。然而，硅波导的高折射率对比度导致显著的结构双折射（structural birefringence），进而引发偏振模式色散（polarization-mode dispersion, PMD）、偏振相关损耗（polarization-dependent loss, PDL）等问题，限制了硅光子器件的应用。传统解决方案（如方形波导）因纳米级制造误差难以实现，而偏振分集方案（polarization diversity scheme）需要高效的偏振旋转器（polarization rotator）。

本研究旨在设计一种基于模式演化（mode evolution）的硅波导偏振旋转器，以实现高偏振消光比（polarization extinction ratio, PER）和低插入损耗（insertion loss），并探索其在不同激发条件下的性能。

研究方法与流程

1. 设计原理与仿真

偏振旋转器的核心原理是通过波导结构的渐变（tapered transition）实现TE（横电模）与TM（横磁模）模式的转换。研究团队采用三层波导结构：
- 输入波导：200 nm（宽）× 400 nm（高）的垂直波导，支持TM或TE模式。
- 过渡区：长度40–100 µm，通过渐变结构实现模式转换。
- 输出波导：400 nm（宽）× 200 nm（高）的水平波导。

仿真采用三维时域有限差分法（3D-FDTD），网格尺寸为20 nm（x/y轴）和40 nm（z轴），中心波长1550 nm。研究重点分析了两种激发条件：
1. TM→TE转换：输入TM模式，输出TE模式，有效折射率匹配为2.176。
2. TE→TM转换：输入TE模式，输出TM模式，有效折射率匹配为1.633。

2. 制备工艺

波导基于绝缘体上硅（SOI）晶圆制备：
- 底层氧化层：2 µm厚SiO₂。
- 顶层硅：400 nm厚，通过两步干法刻蚀（dry etching）形成双层波导结构。
- 包层：2 µm厚SiO₂，采用高密度等离子体增强化学气相沉积（HDP PECVD）沉积。

过渡区长度设计为40–100 µm，总波导长度3 mm，两端渐缩至180 nm宽度以减少耦合损耗。

3. 实验测试

使用宽带放大自发辐射（ASE）光源（1530–1570 nm）和偏振保持光纤进行表征：
- TM→TE转换：测量输出光功率及PER，插入损耗为5–6 dB，PER约8 dB。
- TE→TM转换：插入损耗仅0.5–0.8 dB，PER达15 dB。

主要结果

1. 仿真验证：

   • TM→TE转换：40 µm旋转器的PER为14.6 dB，电场分量Ey逐渐转为Ex（图4）。
     
   • TE→TM转换：PER达15.1 dB，且波长依赖性更低（1450–1750 nm范围内PER波动 dB）。
     

2. 实验性能：

   • TE→TM转换表现更优，与仿真一致，归因于制造误差（misalignment）对TM→TE转换的影响更大（图12）。
     
   • 过渡区长度对PER影响较小（表III），但波长增加需更长的转换区域。
     

3. 制造误差分析：

   • 两层波导的刻蚀错位（Δx≈60 nm）导致过渡区长度缩短，但TE→TM转换仍保持高性能（图13）。
     
   • 改进掩模设计（图14）可减少错位影响。
     

结论与价值

本研究成功实现了基于400 nm × 200 nm硅波导的高效偏振旋转器，TE→TM转换的PER达15 dB，插入损耗 dB，且具备宽波长工作窗口（1450–1750 nm）。其科学价值在于：
1. 理论贡献：通过模式演化原理优化了硅波导偏振旋转器的设计，为偏振无关（polarization-independent）光子集成电路提供关键组件。
2. 工艺创新：在纳米级制造误差下仍保持高性能，证明了硅光子器件的可扩展性。
3. 应用潜力：适用于高速光通信（如10 Gbps数据传输）和集成光子器件（如滤波器、调制器）。

研究亮点

1. 高性能指标：在最小40 µm长度下实现15 dB PER，优于同类研究（如Fukuda等报道的11 dB PER）。
   
2. 宽波长适应性：PER在300 nm带宽内波动 dB，适合密集波分复用（DWDM）系统。
   
3. 制造容差分析：首次系统研究了制造错位对旋转器性能的影响，并提出了改进方案。
   

其他发现

• 模式转换不对称性：TE→TM转换效率高于TM→TE，可能与波导表面粗糙度有关（需进一步研究）。
  
• 与现有技术的对比：MIT的氮化硅波导旋转器（200 µm长度，PER 18 dB）和Pirelli的硅波导旋转器（300 µm长度，PER 20 dB）均需更长尺寸，凸显本研究的尺寸优势。
  

该研究为硅光子集成电路的偏振管理提供了高效、紧凑的解决方案，推动了偏振多样性技术的发展。