本文由Yun Wang、Minglei Ma、Han Yun、Zeqin Lu、Xu Wang、Nicolas A. F. Jaeger和Lukas Chrostowski共同完成，研究团队来自加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）电气与计算机工程系及Lumerical Solutions公司。论文发表于2016年12月的《IEEE Photonics Journal》（第8卷第6期），标题为《Ultra-Compact Sub-Wavelength Grating Polarization Splitter-Rotator for Silicon-on-Insulator Platform》，DOI编号10.1109/JPHOT.2016.2630849。

学术背景

本研究属于集成光子学领域，聚焦硅基绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator, SOI）平台的偏振分束旋转器（Polarization Splitter-Rotator, PSR）设计。SOI平台因其高折射率对比度可实现纳米级光波导，但大模态双折射特性使其与单模光纤系统兼容性差。传统PSR器件存在尺寸大（数百微米）或对工艺误差敏感等问题。为此，团队提出基于亚波长光栅（Sub-Wavelength Grating, SWG）的非对称定向耦合器结构，旨在实现紧凑（35 μm × 5 μm）、高工艺容差的PSR器件，并优化带宽性能。

研究流程

1. 设计方法学与仿真

   • 步骤一：计算 strip waveguide（条形波导）的TM00模有效折射率（neff-tm）随宽度（wa）的变化，确定基准参数（wa=450 nm时neff-tm=1.545）。
     
   • 步骤二：将SWG波导等效为折射率nb=2.43、宽度wb=670 nm的虚拟波导，通过模式求解器计算其TE00模有效折射率（neff-te），确保与TM00模在1550 nm波长相位匹配，且斜率一致以增强工艺容差。
     
   • 步骤三：通过时域有限差分（FDTD）能带结构计算，确定SWG周期（Λ=300 nm）和填充因子（Fill Factor, FF=0.5），提取SWG波导的neff-te随波长变化曲线。
     
   • 步骤四：基于超模理论计算耦合区长度。TM00模输入时，激发exy1和exy2超模，通过干涉效应实现偏振旋转；耦合长度lπ=24.6 μm由公式lπ=λ/2(neff,1−neff,2)确定。
     

2. 关键结构设计

   • SWG锥形耦合器：采用30周期线性渐变SWG（Λt=Λ，FFt=FF）和桥接结构（最小特征尺寸t1=60 nm），实现SWG波导至条形波导的高效耦合，插入损耗（IL）仅0.02 dB（1500-1600 nm波段）。
     
   • 容差分析：通过3D FDTD仿真验证器件对波导宽度（±5 nm）和硅层厚度（±20 nm）变化的鲁棒性，并量化中心波长偏移率（1.5 nm/nm δwz）。
     

3. 实验验证

   • 制备工艺：采用电子束光刻（JEOL JBX-6300FS系统）制备测试结构，结合亚波长光栅耦合器（SWG coupler）实现TE/TM模输入输出。
     
   • 测试结果：实测偏振转换效率（PCEtm-te）峰值-0.3 dB（1538 nm），1 dB带宽超50 nm；串扰（XTte-te和XTtm-tm）分别低于-15 dB和-10 dB。器件中心波长蓝移（1535 nm）归因于SWG填充因子的工艺偏差。
     

主要结果与逻辑关联

• 设计验证：仿真显示PSR的PCEtm-te峰值为-0.46 dB（1550 nm），带宽80 nm，优于传统条形波导PSR（带宽提升50%）。
  
• 实验匹配：实测性能与仿真趋势一致，但波长偏移揭示了FF工艺控制的重要性。耦合区长度的精确设计（24.6 μm）确保了超模干涉效率，而SWG锥形结构（<10 μm）实现了紧凑布局。
  

结论与价值

本研究通过SWG波导的色散工程，实现了高工艺容差、超紧凑的PSR器件，其科学价值在于：
1. 方法创新：首次将SWG等效折射率设计与超模理论结合，解决了相位匹配对工艺误差的敏感性。
2. 应用潜力：器件尺寸（35 μm × 5 μm）和带宽（>50 nm）适合大规模光子集成电路（PIC）的偏振管理需求，尤其适用于CMOS兼容的MPW代工服务。

亮点

• 结构创新：SWG锥形耦合器在亚微米尺度实现低损耗（0.02 dB）模式转换。
  
• 容差优化：通过等效波导设计，将波导宽度容差从传统PSR的±3 nm提升至±40 nm（文献对比）。
  
• 高效建模：采用FDTD能带计算替代全器件3D仿真，显著降低计算成本。
  

其他价值

研究团队开发的测试结构（含校准光栅对）和定制化测试系统（Agilent 81600B激光器）为后续器件优化提供了可靠平台。SEM图像（图9）清晰展示了SWG周期结构的工艺实现细节，佐证了电子束光刻的纳米级加工能力。