硅光学习-24-偏振无关光栅耦合器

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如之前所述，SOI波导由于具有高折射率对比度和典型的矩形光波导结构，会表现出显著的模态双折射现象。这意味着一维衍射光栅本质上具有极强的偏振敏感性——TE偏振光与TM偏振光的衍射角度存在显著差异。

然而在实际应用中，输入光纤的光偏振态往往未知且随时间变化。虽然横向倒锥结构可以设计成同时支持横电和横磁偏振的高效光耦合，但基于这些硅光子线的光子元件对两种偏振态的响应仍存在显著差异。这是高折射率对比度波导系统中普遍存在的问题。

解决该问题最常用的方案是采用偏振分集技术。该技术通过偏振分集电路的两个支路实现空间偏振分离。对于横向倒锥结构，首先通过定向耦合器等结构实现横电与横磁偏振光的空间分离，随后在其中一个支路中将偏振态旋转至正交状态，从而使两个支路都能使用相同的高折射率对比度波导结构。但在通过定向耦合器等偏振合束器重新合并两支路前，需要在一个支路中再次进行偏振旋转[1]。虽然这种方法能实现纳米光子波导电路（本身具有强偏振依赖性）的偏振无关操作，但显然需要额外集成多个光学元件（除光学接口端面需要切割抛光外）。

图1、具有偏振分集的光子电路示意图（由偏振分束器和旋转器组成）[1]

由于这些缺陷，采用一种基于衍射光栅的方法，可以实现高折射率对比度光子集成电路的偏振无关操作[2]。

图2、二维方晶格光栅的概念示意图：(a)作为与光纤连接的无偏振依赖性接口，(b)偏振分集配置结构

其基本思路是实现一个由两个一维衍射光栅叠加而成的光栅结构。将这两个一维光栅结构正交排列，可使光纤中两个正交偏振态耦合到光波导层。此外，这两个正交波导中的偏振态激发的光学模式具有相同偏振态（即TE偏振），不再需要单独的偏振分束器和偏振转换波导结构。两个相同的一维光栅结构叠加后形成方形晶格光栅，用于与光纤对接。因此，通过在光子集成电路上集成两个此类方形晶格光栅结构，并在偏振分集电路的双臂中复制光学功能，可使光子集成电路实现偏振无关工作。图2示意性展示了这种偏振分集方法的原理及方形晶格光栅结构的工作机制。

虽然这一概念在理论上实现偏振无关操作较为简单，但两个关键问题使其实际实现变得复杂。

首先，偏振分集结构的两个支路需要完全相同的集成光子电路，这与边缘耦合方法面临相同挑战。尽管采用了最先进的深紫外光刻技术，要实现这一目标仍非易事。研究表明，必须实现深亚纳米级的尺寸控制才能匹配器件性能——例如硅基环形谐振器的谐振频率（经验法则表明：波导尺寸每变化1nm，就会导致1nm的波长偏移）。解决这一问题的方法之一是通过热光效应调节集成光子电路，以补偿工艺不均匀性。但在某些应用中，可以通过让光沿相反方向通过同一光学元件，实现偏振分集电路双支路的共用。该机制不仅限于衍射光栅方案，可适用于所有偏振分集方法。这一器件概念已在SOI阵列波导光栅和环形谐振器结构的偏振无关操作中得到验证。

二维光栅耦合器方案特有的另一难点在于：先前论证中将方形晶格光栅结构视为偏振无关解决方案的推理，实际上需要满足严格的光栅对称性条件才能成立。原则上，该结论仅适用于完全垂直定位的光纤。在之前就有指出，光纤的完全垂直定位会导致强烈的二阶布拉格反射，并伴随光纤耦合效率的降低。因此，与二维光栅结构对接时仍需使光纤保持倾斜。为保持偏振分集电路的对称性，该倾斜应沿衍射光栅的角平分线方向进行。此倾斜设置会产生双重影响：首先，沿二维光栅角平分线倾斜光纤意味着与该光栅结构连接的波导也需同步向内倾斜，这点从投影布拉格条件中可以明确看出。

波矢kz,1和kz,2不再相互正交，如图3所示。

图3、硅波导层中非正交波矢的计算，源于光纤倾斜导致的入射光有限投影波矢

然而这可以通过将接入波导向内倾斜（即光纤倾斜10°时波导倾斜3.1°）的方式，在集成电路设计中轻松实现。与此倾斜相关的一个更重要问题是，此时无法再实现完美的偏振无关耦合。通过观察光纤中沿光栅平分线方向的偏振态及其正交偏振态，可以理解这一现象——如图4（a）所示，当光纤倾斜时，沿平分线方向的偏振会偏离光子集成电路平面，而正交偏振仍保持在该平面内。

图4、光纤的倾斜及其对偏振相关损耗的影响

当光纤偏离垂直方向倾斜时，两种偏振态的耦合光谱将呈现差异，从而导致光栅结构产生固有偏振相关损耗（PDL）。这一现象通过严格的三维时域有限差分（FDTD）仿真得到验证（见图4b），仿真结果显示出波长依赖性PDL的存在。如4c图所示，实验中同样观测到这种波长依赖性PDL。虽然这种波长依赖性PDL是由光纤倾斜引起的，但通过优化光栅结构设计有望实现性能改善。不过该优化过程需要进行大量三维FDTD仿真，目前尚未开展深入研究。

最近研究了另一种实现与硅光子集成电路偏振无关接口的方法，采用一维光栅结构。该机制可同时处理光子集成电路上的两种偏振态，如图5a所示。虽然这种方法能将两种偏振态耦合到光子集成电路中（并在芯片上实现空间分离），但波导中的模式仍分别为TE和TM偏振。这意味着要实现真正的偏振分集方案，仍需偏振旋转器。在这种情况下，光栅耦合器同时承担了光纤-芯片耦合器和偏振分束器的功能。在某些应用中，并不需要偏振转换器，以点对点收发器为例，其下行波长仅需以偏振无关方式耦合至芯片即可立即被检测。通过优化光栅结构，可同时实现下行波长的偏振无关耦合与上行波长的单偏振耦合（采用一维光栅结构）。

图5、一种用于λ1波长通道偏振无关耦合和上行波长通道λ2单偏振耦合的一维衍射光栅：(a)器件原理，(b)实验获得的光纤耦合光谱，(c)下游波长通道的偏振相关损耗测量结果(c)

近期研究采用标准衍射光栅方案，成功演示了1310nm波长信号的偏振无关耦合与1610nm波长信号的单偏振耦合。该器件的工作波长由光栅周期和光纤入射角度共同决定，但波导层厚度与光栅刻蚀深度也起关键作用。由于器件几何结构固定，虽无法实现1310/1550nm这一重要波长组合，但通过微调波导几何形状和刻蚀深度即可达成。该器件工作原理通过标准衍射光栅结构（220nm厚硅波导层，70nm光栅刻蚀深度）得到验证：1610nm波长通道获得-5.9dB耦合效率，1310nm波长实现-5.2dB耦合效率（与入射光偏振态无关）。此配置下测得光纤-光纤偏振相关损耗在70nm宽波长范围内低于1dB。两种波长通道的光纤-芯片耦合效率以及下游波长通道偏振相关损耗如图5b和C。