基于鈮酸鋰薄膜的三波導(dǎo)偏振分束及模式轉(zhuǎn)換器

姜瑞昭 徐銀 倪屹

（江南大學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214122）

1 概述

基于絕緣體上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）材料平臺(tái)擁有的高折射率差與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝兼容性，硅光子技術(shù)在實(shí)現(xiàn)緊湊型與高性能片上光子器件方面取得了巨大進(jìn)展[1]。然而，由于硅材料固有的局限性很難直接對(duì)光進(jìn)行調(diào)制[2]，這也嚴(yán)重限制了集成光學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。最近基于LNOI(LiNbO3-On-Insulator，LNOI)材料的光子集成技術(shù)成為業(yè)界的研究熱點(diǎn)，LNOI 能夠很好地繼承鈮酸鋰材料的諸多優(yōu)異特性，如高電光系數(shù)、優(yōu)異的壓電特性及非線性特性[3]。同時(shí)，LNOI 較高的折射率差也有利于制備尺寸更小的光學(xué)器件，并能有效提高光芯片集成度。因此，更多類型的LNOI 光子器件有待進(jìn)一步的研發(fā)，不僅僅是聚焦于目前較為成熟的LNOI 電光調(diào)制器。

本文提出了一種基于LNOI 的三波導(dǎo)偏振分束及模式轉(zhuǎn)換器，該器件能夠?qū)崿F(xiàn)將TM0模與TE0模高效分離并將分離的TE0模式轉(zhuǎn)換為高階TE1或TE2模式，在仿真過(guò)程中充分考慮了當(dāng)前鈮酸鋰加工工藝因素，波導(dǎo)側(cè)壁傾角設(shè)為70°。此外，本器件方案具有較高的功能可擴(kuò)展性，可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為更高階TE 模進(jìn)行輸出，并可作為高階模式光源用于片上模分復(fù)用傳輸系統(tǒng)以有效提高片上光互連容量。

2 器件結(jié)構(gòu)與原理

由于LNOI 的難刻蝕特性，目前還沒(méi)法做到嚴(yán)格垂直的波導(dǎo)側(cè)壁。我們?cè)诜抡嬷袑⒉▽?dǎo)側(cè)壁傾斜角設(shè)為70°，以符合當(dāng)前的工藝水平。圖1 為基于LNOI 的三波導(dǎo)偏振分束及模式轉(zhuǎn)換器的3D 結(jié)構(gòu)示意圖，插圖為三波導(dǎo)耦合區(qū)域的放大橫截面圖。整個(gè)器件由三個(gè)厚度h 均為800 nm 的鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)組成。當(dāng)輸入TM0模式時(shí)，它首先耦合到中間波導(dǎo)，然后經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)C的波導(dǎo)耦合后反向耦合回之前的波導(dǎo)并輸出，這里我們采用橫向長(zhǎng)度和縱向長(zhǎng)度分別為WR和LR的S 彎結(jié)構(gòu)來(lái)降低輸出TM0模式的串?dāng)_。相反，當(dāng)輸入TE0模式時(shí)，它首先耦合至中間波導(dǎo)，然后通過(guò)相位匹配耦合至輸出波導(dǎo)并轉(zhuǎn)換為TE 的高階模式（例如TE1或TE2模式）[4]。通過(guò)分析比對(duì)這兩種偏振態(tài)的輸出情況，我們發(fā)現(xiàn)中間波導(dǎo)對(duì)兩種輸入模式都起著至關(guān)重要的作用。為了進(jìn)一步提高器件性能，我們?cè)谥虚g矩形波導(dǎo)兩端設(shè)計(jì)了兩個(gè)波導(dǎo)切角，這兩個(gè)切角呈中心對(duì)稱分布，它們的寬度和長(zhǎng)度分別為WT和LT，中間波導(dǎo)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)T+ LM+ LT。此外，這三條波導(dǎo)的波導(dǎo)寬度分別為W1、W2、W3，兩條相鄰波導(dǎo)的間隙寬度分別和g1、g2。該器件的工作原理主要是基于模式的相位匹配[5]。為此，因此，滿足相位匹配要求的波導(dǎo)尺寸成為后續(xù)器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

圖1 器件結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)果與討論

圖2 所示為我們使用的LNOI 波導(dǎo)通過(guò)計(jì)算得到的有效折射率隨波導(dǎo)寬度的變化情況，其中波導(dǎo)厚度h 為800 nm，工作波長(zhǎng)λ 為1.55μm。中間波導(dǎo)應(yīng)與進(jìn)入到輸入波導(dǎo)的輸入TE0和TM0模式進(jìn)行高效耦合，因此這兩個(gè)波導(dǎo)的寬度要相同（W1=W2）。這里，我們將W1設(shè)置為1000 nm。而對(duì)于耦合到中間波導(dǎo)中的TE0模式，經(jīng)過(guò)LDC 的波導(dǎo)耦合后它應(yīng)該進(jìn)一步耦合到最下方的輸出波導(dǎo)中并轉(zhuǎn)化為高階模式進(jìn)行輸出（例如TE1或TE2模式）。根據(jù)圖2 所示的相位匹配關(guān)系，對(duì)于TE1模式，波導(dǎo)寬度W3設(shè)置為1820 nm。對(duì)于該器件，我們使用模式轉(zhuǎn)換效率（conversion efficiency，CE）、串?dāng)_（crosstalk，CT）和插入損耗（insertion loss，IL）作為輸入TE0模式的關(guān)鍵參數(shù)，并使用消光比（extinction ratio，ER）和IL 作為輸入TM0模式時(shí)的關(guān)鍵參數(shù)來(lái)評(píng)估器件性能。

圖2 有效折射率neff 隨波導(dǎo)寬度W 的變化

接下來(lái)采用三維有限差分時(shí)域（3D-FDTD）方法分析和優(yōu)化器件的性能?？紤]到LNOI 波導(dǎo)的制作限制和整個(gè)器件尺寸，波導(dǎo)間隔設(shè)置為g1=g2=100 nm，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的耦合長(zhǎng)度LC為78μm。為了進(jìn)一步的提高器件性能，我們?cè)谥虚g脊形波導(dǎo)的兩端沿傳播方向設(shè)置了兩個(gè)切角，經(jīng)過(guò)仿真分析后獲得切角的最優(yōu)值為L(zhǎng)T= 20μm, WT= 0.2μm。此外，為了減少中間波導(dǎo)對(duì)于輸出的TM0模式產(chǎn)生不必要的耦合，在器件設(shè)計(jì)中我們加入了一個(gè)S 型彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[6]。通過(guò)考慮整體器件尺寸和性能將LR，WR分別設(shè)置為L(zhǎng)R= 18μm，WR= 7.0μm，此時(shí)ER = 29.91 dB，IL = 0.67 dB 都為計(jì)算范圍內(nèi)的最優(yōu)值。

當(dāng)輸入TE0模時(shí)，由于經(jīng)歷了兩次耦合過(guò)程，整個(gè)器件長(zhǎng)度可能變得相對(duì)較長(zhǎng)。在這種情況下，這兩個(gè)波導(dǎo)耦合區(qū)域需要在沿傳播方向上有更多的波導(dǎo)重疊，從而盡可能縮短整個(gè)器件長(zhǎng)度。其中第二耦合區(qū)域LDC的最佳耦合長(zhǎng)度通過(guò)優(yōu)化分析后設(shè)置為102 μm。綜合考慮，我們將LS設(shè)置為18 μm，這有助于器件獲得最佳性能（輸入TM0模式的ER= 29.91 dB，IL = 0.67 dB，輸入TE0模式的CE = 97.56%，CT = -16.22 dB，IL = 0.39 dB），整個(gè)器件的尺寸也在可接受的長(zhǎng)度范圍內(nèi)。

如圖3 所示，我們采用3D-FDTD 方法計(jì)算了該器件工作在1.5 μm ～1.6 μm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的性能指標(biāo)變化情況。優(yōu)化后器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：W1= W2= 1000 nm, W3=1820 nm, g1= 100 nm, g2= 100 nm, LC= 78 μm, LM=80 μm, LT= 20 μm, WT= 0.2 μm, LR= 18 μm, WR= 7.0 μm, LDC= 102 μm, LS= 18 μm。因?yàn)槠骷捎枚ㄏ蝰詈掀鞯慕Y(jié)構(gòu)，需要滿足相位匹配的要求，所以波長(zhǎng)變化對(duì)器件性能有較大影響[10]。從圖3 可以看出，各項(xiàng)性能中指標(biāo)變化最顯著的是ER 和CT，如果我們通過(guò)同時(shí)保持ER>20 dB 和CT<-15 dB 來(lái)設(shè)置嚴(yán)格的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可用的工作波長(zhǎng)范圍仍然可以在1546 nm 到1600 nm 之間變化，而其他性能指標(biāo)在該范圍內(nèi)的變化很小。圖4 中繪制了輸入TM和TE 兩種不同偏振時(shí)該器件的電場(chǎng)傳播圖，工作波長(zhǎng)為1.55μm。從圖4 中可以清晰的看出，器件可以高效的完成偏振分束及模式轉(zhuǎn)換功能。

圖3 器件性能隨波長(zhǎng)的變化

圖4 輸入TM0 和TE0 模式時(shí)器件的場(chǎng)強(qiáng)圖

最后，考慮到器件制造工藝，我們主要分析了整個(gè)波導(dǎo)寬度變化對(duì)器件性能的影響，如圖5 所示。從結(jié)果可以看出，通過(guò)同時(shí)保持偏振ER > 20 dB 和模式CT < -13 dB，相對(duì)于上述最佳尺寸，整個(gè)波導(dǎo)寬度的變化ΔW 需要控制在-8到7 nm 之間；若放寬制造容差的要求，波導(dǎo)寬度變化可以進(jìn)一步增加，這些將為實(shí)際器件的制造提供參考。

圖5 器件性能隨波導(dǎo)寬度的變化

4 結(jié)論

綜上所述，本文提出并研究了一種基于LNOI 材料的高性能三波導(dǎo)型偏振分束及模式轉(zhuǎn)換器。從結(jié)果可以看出，器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入TE0模和TM0模之間的偏振態(tài)分離以及從輸入TE0模到輸出TE1模的模式轉(zhuǎn)換。器件總長(zhǎng)度為120μm 且性能相對(duì)較好，輸入TM0模式的消光比ER =29.91 dB，插入損耗IL = 0.67 dB，輸入TE0模式到TE1模式的轉(zhuǎn)換效率CE = 97.56%，串?dāng)_CT = -16.22 dB，插入損耗IL = 0.39 dB。該器件可以作為基于LNOI 平臺(tái)的用于片上復(fù)用傳輸?shù)母唠A模式光源，以推動(dòng)片上光互連容量的提高。