“智能光子应用技术”专栏 | MDPI Sensors：面向片上高功率应用的偏振光束分配器

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引言✦

光子集成电路 (PIC) 由于其在功耗、尺寸和成本方面的根本优势，引起了学术界和工业界的极大兴趣。其中，氮化硅 (Si₃N₄) 因与CMOS的兼容性，被认为是一个有前景的PIC平台。与硅 (Si) 波导相比，Si₃N₄的优点是粗糙度引起的散射损耗较小，因而具有更好的制造公差。同时，其在通信波段方面有较低的由双光子吸收 (TPA) 诱导的非线性损耗。因此，Si₃N₄波导已被广泛考虑应用于高功率的场景，如非线性光学 (光频梳生成、片上光参数振荡器、超连续光谱产生)、材料加工、激光医疗等。

偏振分光器 (PBS) 通过控制偏振状态来缓解光子系统中的偏振随机性问题，从而确保其正常运行。PBS已被广泛用于传感器的应用，如偏振导航传感器、光声遥感显微镜、分布式振动传感器、磁场传感器、光纤陀螺仪。此外，在相干光通信系统中，集成PBS是收发器的一个不可或缺的组成部分。由于横电模 (TE) 和横磁模 (TM) 的传播常数不同，PBS的功能是将TE和TM的偏振光束分离到不同路径上。此前，各种不同结构的PBS已被证明，如定向耦合器、光子晶体、多模干涉仪 (MMI)、马赫-曾德尔干涉仪 (MZIs) 和亚波长光栅。最近，狭缝波导已被应用于定向耦合器，以改善偏振分光性能。在狭缝波导中，一个低折射率层被两个高折射率层夹住。由于电场在高折射率对比的界面上的不连续性，对界面具有法线偏振的模式在狭缝区内明显增强。垂直狭缝或水平狭缝的波导已被用于片上的PBS。

本篇发表在Sensors 期刊上的研究文章，使用基于Si₃N₄的水平狭缝波导的PBS，用于千瓦级峰值功率的片上系统。其耦合长度为281.5微米。在1550纳米处，准TM和准TE模式的相应消光比 (ER) 分别为23.9 dB和20.8 dB。与基于Si₃N₄条形波导的PBS相比，耦合长度缩短了22.6%。

 研究内容 

图1a显示了两类基本的偏振分裂机制。第一类表明，两个正交偏振的耦合长度有很大差异，如耦合长度比高达21。在这种情况下，大部分准TE模式仍然在原端口，而一部分准TE模式被耦合到交叉端口，准TM模式被完全耦合至交叉端口。第二类表明，准TE模式的耦合长度被设计为达到准TM模式的整数倍。在这种情况下，准TM模式被耦合出去，然后又回到原端口，而准TE模式则完全耦合到交叉端口。因此实现了有效的偏振分离。图1b描述了基于类型二的PBS，准TE和准TM模式有不同的耦合长度，蓝线和红线分别代表准TE和准TM模式的功率变换。

图1. (a) 两类基本的偏振分离机制示意图；(b) 基于Si₃N₄水平单狭缝波导的PBS。

文中研究了准TM模式的耦合长度 (L_TM) 以及准TE和TM模式的耦合长度比 (L_TE/L_TM)，通过改变基于单狭缝波导的PBS中的狭缝厚度，如图2a所示，准TM模式的耦合长度随着狭缝厚的增加而减少，而L_TE/L_TM增加。波导间距d为500纳米，狭缝厚H_s为50纳米。在这种情况下，TM模式的耦合长度为140.5微米，两个偏振的耦合长度比接近2，因此，两个正交偏振可以在1550纳米处有效分离。图2b描述了改变波导间距d的影响。对于具有50纳米狭缝厚的PBS，当d从100到900纳米增加时，L_TM增加。波导间距越大，耦合越弱，因此耦合长度增加。在下面的研究中，选择了波导间距d=500纳米。

图2. 准TM模式的耦合长度和耦合长度比随着 (a) 狭缝厚度H_s (d=500纳米) 和 (b) 波导间距d (H_s=50 纳米) 的变化趋势。

本文使用时域有限差分方法来模拟所提出的PBS沿传播方向的模态演化。图3显示了1550纳米处准TE和准TM模式沿传播距离的功率演变。可以观察到，对于准TE模式，光功率在耦合长度 (即L_TE) 上几乎从原端口转移至交叉端口。同时，当传播距离等于L_TM时，准TM模式首先被转移到交叉端口，然后又回到原端口。此外还可以看到，准TE偏振的耦合长度是准TM偏振的两倍。

图3. 设计的PBS在1550纳米处的准TM和准TE模式的功率演变。

 研究总结 

本文提出了基于Si₃N₄的单槽和多槽波导的PBS。与基于Si的PBS相比，基于Si₃N₄的器件由于其更低的克尔非线性效应和可忽略的非线性损耗而更适合于大功率集成光子应用。此外，还分析了几何参数和传播长度对耦合长度和ER的影响。提出的基于Si₃N₄/SiO₂水平槽波导PBS的耦合长度比基于Si₃N₄条形波导PBS的耦合长度短22.6%。所提出的结构可以有效地减少元件的长度。本文对两种设计中准TM和准TE模式的波长依赖性也进行了分析。

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原文出自Sensors 期刊：

Fang, Y.; Bao, C.; Wang, Z.; Liu, Y.; Zhang, L.; Huang, H.; Ren, Y.; Pan, Z.; Yue, Y. Polarization Beam Splitter Based on Si₃N₄/SiO₂ Horizontal Slot Waveguides for On-Chip High-Power Applications. Sensors 2020, 20, 2862.

撰稿人：岳洋

 专栏简介 

“智能光子应用技术”专栏由Sensors 期刊编委岳洋教授 (西安交通大学) 主持，专注于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的前沿进展与创新应用。

 专栏编辑

岳洋 教授

西安交通大学

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西安交通大学信息与通信工程学院教授、博士生导师，SPIE会士、IEEE/Optica高级会员、智能光子应用技术实验室 (iPatLab) 创始人及现任PI。致力于光通信、光感知、光芯片等智能光子学领域的基础及应用研究。已发表论文240余篇 (包括Science)，特邀论文10余篇，申请及授权专利60余项 (包括美国专利25项、欧洲专利9项，已授权30余项)，编著英文书5部，英文书章节2章，Google学术引用10,000余次，获邀报告200余次 (包括1次Tutorial，30余次Plenary和50余次Keynote)。现任IEEE Access、Frontiers in Physics副主编，Sensors 等4个学术期刊编委，J. Lightw. Technol. 等特刊客座编辑10余次，国际会议主席、技术委员会委员100余次，70余学术期刊审稿人。

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*本文内容由Sensors 期刊编委岳洋教授撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。

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