基于Si/SiNx双层波导的偏振无关光功分器

刘海广，张跃腾，宋雨辰，沈晗潇，陈鹤鸣，汪静丽

(南京邮电大学 a. 电子与光学工程学院、柔性电子(未来技术)学院; b.贝尔英才学院，南京 210023)

0 引 言

光子集成光路(Photonic Integrated Circuits，PICs)[1]具有传输速率高和光互连解决方案成本低等特点，是下一代光网络中开发大容量、高速和宽带光互连的良好选择。在PICs中，光功分器是实现许多复杂光子器件的重要元件，例如，多路复用器[2]、光开关[3]和光调制器[4]等。目前，实现光功分器的结构类型主要有定向耦合器(Directional Couplers, DC)型[5]、多模干涉(Multimode Interference, MMI)型[6-8]、绝热耦合器(Adiabatic Coupler)型[9]和Y分支型[10]等。其中，MMI型结构因其制造公差大、带宽大和损耗小的特点而被广泛应用[11]。

绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)[12]平台具有光束缚力强、使用温度范围广以及制作工艺与互补金属氧化物半导体兼容的特点，成为大部分MMI型光功分器的首选。但SOI平台芯层与包层间具有大的折射率差，使器件对偏振敏感，限制了其应用范围。目前已报道的MMI型光功分器中，实现偏振无关的方法有：采用三明治结构[13-14]、金属覆盖层[15]、亚波长光栅(Subwavelength Grating，SWG)结构辅助[16-17]和算法逆向设计[18]等。其中，三明治结构对芯层材料折射率敏感，金属覆盖层损耗过大，而SWG结构辅助和算法逆向设计结构相对复杂。

综上，本文设计了一种基于Si/SiNx双层波导的MMI型偏振无关光功分器，根据MMI理论进行功率分配，同时通过对覆盖于Si层上的SiNx层的折射率进行调控，使器件具有偏振无关功能。本文所提器件具有尺寸小、性能优良和带宽大等优点，在未来的PICs系统中具有较大的应用价值。

1 工作原理与结构设计

1.1 工作原理

在MMI波导中，由于信号在传播时各种模式发生互相干涉，因此在传播方向上周期性地出现输入信号的自身像，这种现象称为自成像效应[19]。在发生对称干涉时，在1×N的MMI波导中，其N重像点所对应的长度LMMI为

式中，Lπ为拍长，是光信号在MMI波导中出现第一个自成像点时的长度。

本文需要实现1×2的均匀功分，即N=2，此时式(1)可写为

当MMI波导长度等于LMMI时，即可实现1×2的均匀功分。

1.2 器件结构设计

如图1所示，所设计的MMI型偏振无关光功分器包含输入波导、MMI波导和输出波导3部分。输入和输出波导均由相同的单模直波导和锥形波导组成，其中单模直波导宽度为W=0.5 μm，锥形波导长度为Ltaper，宽度由W渐变至Wtaper=1 μm(输出波导中的锥形波导宽度由Wtaper渐变至W)；输入波导位于MMI波导中心处，输出波导位置如图1(b)所示，其中心处与MMI波导边缘距离为Wout；MMI波导的长度与宽度分别为LMMI和WMMI，且Wout=WMMI/4。波导横截面示意图如图1(a)所示，波导包含Si层以及Si层上覆盖的SiNx层，厚度分别为hSi=300 nm和hSiNx=100 nm。在1 550 nm的工作波长处，Si的折射率为3.48，SiNx的折射率n(SiNx)可由等离子体增强化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)[20-21]方法调节，其范围为1.72～3.43。

图1 基于Si/SiNx双层波导的MMI型偏振无关光功分器结构示意图

2 功能实现与性能优化分析

2.1 器件功能实现

实现器件的偏振无关功能，需要横电(Transverse Electric, TE)偏振模和横磁(Transverse Magnetic, TM)偏振模在MMI波导中二重像点所对应的长度相等，即满足如下公式：

式中，LMMI(TE)和LMMI(TM)分别为TE和TM偏振模二重像点所对应的长度。

本文在波导Si 层上覆盖一层SiNx材料，形成Si/SiNx双层波导结构，并通过调节n(SiNx)的方式使LMMI(TE)和LMMI(TM)相等，实现偏振无关。LMMI(TE)和LMMI(TM)随n(SiNx)以及WMMI的变化关系如图2所示。当WMMI不变时，LMMI(TE)和LMMI(TM)均随着n(SiNx)的增大而增大，且LMMI(TM)的增大趋势比LMMI(TE)快，故二者存在交点(如图中椭圆圈所示)，此时LMMI(TE)=LMMI(TM)，满足偏振无关条件；当n(SiNx)不变时，LMMI(TE)和LMMI(TM)均随着WMMI的增大而增大。值得注意的是，对于不同的WMMI，均存在一个n(SiNx)，使器件满足偏振无关条件。为了使器件具有更小的尺寸，选择LMMI(TE)和LMMI(TM)最小的点(如图2中红圈所示)，此时WMMI=3 μm，n(SiNx)=2.6，LMMI(TE)=LMMI(TM)=8.4 μm，Wout=0.75 μm。

图2 LMMI(TE)和LMMI(TM)随n(SiNx)和WMMI的变化关系

由于引入的锥形波导结构也会对器件的传输性能造成一定影响，因此需要结合器件输出性能对其进行优化。对光功分器而言，最重要的指标是插入损耗(Insertion Loss, IL)、反射损耗(Reflection Loss, RL)和分光比(Splitting Ratio, SR)，其定义如下所示：

式中：P1和P2分别为端口1和端口2 的输出功率；Pin为输入功率；Pr为反射功率；PMax和PMin为P1和P2中的最大和最小值。

图3所示为器件参数WMMI=3 μm、n(SiNx)=2.6、LMMI=8.4 μm和Wout=0.75 μm时，IL、RL和SR随锥形波导长度Ltaper的变化关系图。由图3可知，当Ltaper由3 μm变化至10 μm时，TE和TM偏振模的IL、RL和SR随之变化，并且均能保持IL<0.073 dB、RL<-40 dB同时SR<1.000 6的优良性能。综合考虑两个偏振模下IL、RL和SR的最佳值，选择Ltaper=7 μm(图中绿圈标识处)，此时，TE(TM)偏振模的IL、RL和SR分别为0.04(0.05) dB、-47.00(-48.80) dB和1.000 18(1.000 33)。

图3 IL、RL和SR随Ltaper的变化关系

综上所述，当器件参数选择为WMMI=3 μm、n(SiNx)=2.6、LMMI=8.4 μm、Wout=0.75 μm和Ltaper=7 μm时，实现了MMI型偏振无关光功分器的设计，并且器件性能达到最佳。此时输入信号对应的两个正交偏振模的传播光场分布分别如图4(a)和4(b)所示。1 550 nm波长信号的TE和TM偏振模从输入波导输入，在MMI波导中被均匀地分成两部分，并分别从两个不同的端口输出。所设计的光功分器成功地将输入光信号进行了均匀功分，并且偏振无关。

图4 MMI型偏振无关光功分器的传播光场分布图

2.2 器件性能分析

上述已实现了MMI型偏振无关光功分器，MMI波导长度仅8.4 μm，且IL和RL分别低至0.04和-48.80 dB。但由于光源并不是单色光，因此还需讨论器件性能随波长的变化关系。文献[22]表明：SiNx材料折射率在红外波段随波长变化不敏感，即随着波长的变化，SiNx材料折射率几乎保持不变，对器件的偏振无关特性没有影响。图5所示为器件的IL、RL和SR随波长λ的变化关系。由图5(a)可知，器件保持IL<1 dB且RL<-20 dB的带宽可达380 nm(1 377～1 757 nm)；同时，如图5(b)所示，在此波长范围内，SR均低于1.000 3，即拥有良好的分光均匀性。

图5 IL、RL和SR随λ的变化关系

表1 MMI型偏振无关光功分器性能参数的比较

3 结束语

本文设计了一种基于Si/SiNx双层波导的MMI型偏振无关光功分器，在Si层上覆盖一层SiNx材料，通过改变n(SiNx)，调节LMMI(TE)和LMMI(TM)并使其相等实现偏振无关。分析了LMMI(TE)和LMMI(TM)随n(SiNx)以及WMMI变化的关系，在偏振无关的条件下，选择使器件尺寸最小的n(SiNx)和WMMI。通过优化Ltaper，有效减小了器件的IL和RL。最后对器件进行了性能和容差性的分析。结果表明，器件尺寸仅为3.0 μm×16.8 μm，IL和RL分别低至0.04和-48.80 dB， SR达到了1.000 33，非常接近1，IL<1 dB时带宽可达380 nm。器件结构简单，性能优良，在未来的PICs系统中具有潜在的应用价值。