导读
由于硅基波导结构显著的双折射效应，基于硅光平台的波分复用器件受到偏振相关特性的困扰，面临着严重的偏振相关损耗和串扰问题。针对此问题，浙江大学信息与电子工程学院光电子集成芯片研究组创新性地利用双折射效应带来的偏振模式差异，首次基于刻蚀衍射光栅结构提出了一种能够同时实现偏振和波长复用的多维复用器件，拓宽了传统波分复用器件的复用维度，可用于偏振兼容波分复用系统的实现。研究论文“Polarization-independent wavelength demultiplexer based on a single etched diffraction grating device”于1月31日发表于Nature出版集团旗下期刊《Communications Engineering》；论文链接：https://doi.org/10.1038/s44172-023-00055-6。此项工作由浙江大学完成。浙江大学2020级硕士生李晨光为论文的第一作者；熊波博士为第二作者，储涛教授为通讯作者。
研究背景
波分复用技术作为光通信领域的最为重要信息扩容技术之一，能够通过多波长携带的信号打破单根光纤的传输限制，具有低成本、高容量等显著优势。其中，波分复用器件和解复用器件分别用于实现多波长信号的合波和分波，是波分复用系统的核心器件。由于数据中心等应用场景下采用的标准光纤无法保持信号的偏振，这要求解复用器件必须是偏振无关的。以往，偏振无关的波分复用器件可以在PLC平台上得到实现，但器件尺寸较大且无法实现与激光器、调制器等的单片集成。硅基光子平台，由于能够借助成熟的CMOS工艺，实现各类有源、无源器件的单片集成，被认为是实现波分复用系统的理想平台。然而，对于硅光等具有明显的折射率对比的光学集成平台，波分解复用器件的偏振相关难题仍然是阻碍单片集成的波分复用系统实现的关键因素，导致硅光芯片常常需要与PLC芯片等异质集成以实现偏振兼容的波分复用系统。
研究亮点
研究团队首次提出了同时实现偏振、波长复用的刻蚀衍射光栅，来解决光子集成平台上的偏振难题。如图1所示，通过利用双折射效应带来的偏振模式折射率差异，将偏振维度视作与波长相同的复用维度，利用刻蚀衍射光栅的波分复用特性，对两种偏振下的相位关系进行设计，使得该器件能够在两种偏振模式下实现高效率的波长解复用，进一步实现两种偏振模式的分离，在波分复用的基础上实现偏振复用功能，再将相同波长的不同偏振信号通过同一个探测器接收。这样，仅仅通过一个简单的刻蚀衍射光栅，任意偏振态的波长复用信号就可以被解复用为单偏振、单波长的信号，进而实现偏振兼容的波分复用功能，为解决WDM系统中的偏振问题提供了新的方向。
图1.多维复用器件结构及设计原理示意图
该工作设计了具有8个输出通道的刻蚀衍射光栅多维复用器件用于演示，其中1-4通道工作于TE偏振，5-8通道工作于TM偏振，从而实现两个偏振、四个波长的多维复用功能。通过对EDG衍射级数、波导结构、芯层厚度的设计，优化刻蚀衍射光栅性能，实现两种偏振下的高效率工作。通过厚度设计的权衡，实现高反射效率的布拉格反射光栅和大带宽范围内的偏振分离。通过对EDG衍射级数的设计，在TE和TM偏振下实现低损耗、低串扰的波长复用性能。最终仿真得到了性能优异的偏振、波长同步解复用EDG，仿真得到的器件损耗低于1.2 dB，偏振相关损耗低于0.2 dB，如图2所示。
图2.偏振无关解复用EDG的仿真结果
基于仿真结果，研究人员在300 nm的硅基氮化硅平台上实现了低损耗、低串扰的多维复用刻蚀衍射光栅。该器件尺寸仅为320 × 230 μm2，其在TE模式下四个波长通道的插入损耗分别为2.4、2.3、2.3、1.3 dB，TM偏振下分别为1.9、1.1、0.5、2.2 dB。偏振相关损耗为0.5-1.8 dB，器件串扰优于-30 dB。此外，还对输出波长的偏移问题进行了误差分析。
图3.测试链路及波长扫描测试结果
随后，研究团队通过偏振控制分析仪进行偏振扫描测试，进一步测试了偏振强度和相位改变时器件的工作性能。分别控制输出信号的偏振状态沿着RHC轨迹（TM线偏振-45°线偏振-TE线偏振- -45°线偏振）和LP0轨迹（-45度线偏振-右旋圆偏振- 45°线偏振-左旋圆偏振）进行扫描。如图4、5所示，扫描结果显示器件的插入损耗变化仅为0.4-0.5 dB和0.2-0.3 dB，验证了该器件在任意偏振状态下稳定的工作性能。
图4.RHC轨迹偏振扫描测试结果
图5.LP0轨迹偏振扫描测试结果
应用及展望
该工作拓宽了刻蚀衍射光栅的复用维度。这种紧凑且低损耗的偏振无关波长解复用器可以与硅光平台上的PD等器件单片集成，在光通信系统中具有广泛的适用性。所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，而且为硅光平台上设计其他偏振无关器件提供了一种新的解决思路。同时在多维复用、光计算等领域也具有广泛的应用价值。在后续的工作中，我们还拓展了该方案的器件种类、波长间隔、应用波段。
|
