XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

В работе описывается сверхмалый поляризационный сплиттер на основе простого направленного ответвителя, состоящего из кремниевых проволочных волноводов. Размер составляет всего 7 × 16 мкм 2, а коэффициент ослабления поляризации составляет около 15 дБ для одного ответвителя. Двойная структура сцепления улучшает коэффициент затухания более чем на 20 дБ. Избыточные потери не превышают 0,5 дБ для обоих типов устройств. В устройстве форма высокоскоростной формы волны сохраняется под любым углом поляризации. Наш поляризационный разветвитель представляет собой первый шаг к созданию сверхмалой оптической схемы с поляризационным разнесением на основе кремниевых проводных волноводов.

Ключевые слова: поляризационный сплиттер, волновод, формы волны, оптический, свет, связь, коэффициент поляризации.

Оптический делитель/сплиттер/разветвитель — неселективный пассивный элемент (N-полюсник), имеющий минимально три полюса/порта и распределяющий входящую оптическую мощность между выходными портами в определенном соотношении, без какого-либо усиления или переключения.

Кремниевые проволочные волноводы имеют большой потенциал для сверхмалых оптических цепей. Их радиус изгиба с незначительными потерями составляет всего несколько микрон из-за большого контраста показателя преломления. Было продемонстрировано несколько видов пассивных и активных устройств на основе Si-проволоки. Однако дисперсия поляризационных мод (PMD), вызванная структурным двулучепреломлением, не является пренебрежимо малой. Этот недостаток узко ограничивает область их применения. Отклонение формы сердечника от квадрата и / или анизотропия материалов увеличивает PMD, что ухудшает формы волны высокоскоростных сигналов и ухудшает характеристики функциональных оптических устройств, включая фильтр длин волн.

Решением этой проблемы является проведение точного процесса изготовления. Например, для длины волновода 5 см дифференциальная групповая задержка (DGD) между ядрами с шириной 300 ± 5 нм достигает 6,6 пс, что ухудшает быстродействующие сигналы, такие как скорость передачи данных 40 Гбит / с. С другой стороны, колебания ширины сердечника изменяют групповой индекс и изменяют рабочую длину волны фильтров. Разница в длине резонансной волны между поперечной электрической (TE) модой и поперечной магнитной (TM) модой больше 100 ГГц для кольцевого резонатора с радиусом 10 мкм с сердечником шириной 300 ± 1 нм. Следовательно, точность менее нанометра требуется для устройств, используемых в поляризационно-независимых системах плотного мультиплексирования с разделением по длине волны.

Другим решением является использование системы разнесения поляризации, состоящей из поляризационных разветвителей и ротаторов. Если компоненты TE и TM разделены разделителем, а компонент TM повернут вращателем на 90 градусов, нам необходимо изготовить функциональные устройства, такие как фильтр, только для режима TE, а не для обоих режимов. Было представлено несколько ключевых устройств для достижения поляризационного разнесения. D. Taillaert и соавт. разработал двумерный решетчатый ответвитель, который связывает ортогональные моды из волокна в идентичные моды двух волноводов. Это устройство эффективно для расщепления поляризации, хотя эффективность связи составляет всего -7 дБ. Группа MIT продемонстрировала поляризационный сплиттер и ротатор с асимметричным сечением сердечника для SiN-волноводов. Однако изготовление таких трехмерных структур является сложным и все же будет более требовательным к Si-проволоке, поскольку ее сердечник меньше, чем SiN-волновод. Поляризационное расщепление также достигается путем использования структурного двулучепреломления. Устройства, основанные на этом методе, были построены с использованием волноводов InGaAsP-InP и ребристых Si-волноводов.

Принцип и конструкция.

Оптические сплиттеры классифицируются по характеристикам: технология изготовления, количество входов

В настоящее время существует две наиболее распространенные технологии изготовления оптических разветвителей — Fused Biconical Taper (FBT) и Planar Lightwave Circuit (PLC).

Рисунок 1. Процесс изготовления делителей сварного типа

Оптические делители, созданные по технологии FBT, называют биконическими или сварными (Fused coupler). Название «сварные» делители получили по технологии производства, а «биконические» по принципу работы. Технология производства относительно проста — два волокна с удаленными внешними оболочками (лак, пластиковый буфер) сплавляют в четырехполюсник с двумя входами и двумя выходами (2:2). Если же требуется делитель 1:2, то один из входов «заглушают» безотражательным методом.

Принцип работы сварного делителя заключается в совмещении оптических волноводов перед сплавлением таким образом, чтобы необходимая доля входящего оптического сигнала передавалась через боковые поверхности.

В зависимости от спектральных характеристик сварные делители подразделяется на несколько типов:

однооконные — пропускают оптические сигналы одного «окна прозрачности»

двухоконные — пропускают оптические сигналы из двух «окон прозрачности»

трехоконные — пропускают оптические сигналы из трех «окон прозрачности»

Оптические делители, выполненные по технологии PLC, называют планарными.

Рисунок 2. Принцип работы делителя сварного типа

По количеству входов все оптические сплиттеры подразделяются:

X-образные — несколько входов и несколько выходов

Y-образные — один вход и несколько выходов

Самый простой Х-образный оптический делитель имеет два входа и два выхода, так называемый оптический разветвитель 2:2.

Рисунок 3. Схема оптического делителя 1:2

При производстве таких делителей можно использовать обе вышеперечисленные технологии. В случае делителя 2:2 процесс производства по технологии FBT ничем не примечателен, а вот для производства такого делителя по технологии PLC необходимо соединить два планарных делителя типа 1:2.

Y-образный оптический делитель — это оптический сплиттер, который имеет один вход и два выхода, так называемый оптический разветвитель типа 1:2. Y-образные делители бывают двух типов — симметричные и несимметричные.

Симметричные Y-образные оптические делители разделяют оптическую мощность между выходами равномерно.

Несимметричные оптические делители позволяют разделить оптическую мощность в определенной пропорции. К данному типу можно отнести только сварные делители с неравномерным делением по выходным портам.

Наиболее широкое применение оптические делители получили в трех отраслевых нишах:

Сети передачи кабельного телевидения

Пассивные оптические сети (PON)

Компоненты сложных оптических устройств

Принципиальная схема нового поляризационного разветвителя показана на рисунке 4. Si-проволока с удлиненным сердечником производит большое PMD из-за структурного двойного лучепреломления. Существует большая разница между константами распространения для мод TE и TM. В направленном ответвителе, изготовленном с использованием таких проволочных волноводов Si, длина связи для моды TM намного короче, чем для TE, как показано на рисунке. Таким образом, простой направленный ответвитель работает как поляризационный разветвитель.

Рисунок 4. Принцип направленного ответвителя на основе поляризационного разветвителя, состоящего из проволочных волноводов Si

Результаты моделирования FDTD. На рисунке 5 показаны напряженности электрического поля в направленном ответвителе на основе Si-проводов, рассчитанные методом конечных разностей во временной области (FDTD) для нескольких длин волн. При расчете FDTD размер сердечника из проволоки Si составлял 200 нм (H) × 400 нм (Вт), а зазор между двумя сердечниками составлял 480 нм. Электрические поля ТМ-моды передаются в соседний волновод после распространения около 10 мкм. Длина связи для коротких волн больше, чем для длинных. Это отражается в том, что ограничение выше, чем на коротких волнах. В результате свет с короткой длиной волны попадает в соседний волновод позже, чем с длинной длиной волны. С другой стороны, для любой длины волны TE-свет все еще распространяется вдоль исходного волновода, в то время как длина распространения меньше 15μ м. Следовательно, направленный ответвитель с длиной связи 10 ~ 15 мкм функционирует для разделения ламп TE и TM в диапазоне длин волн С-диапазона.

Рисунок 5. Результаты моделирования FDTD

Для практического дизайна, мы должны обратить внимание на радиус изгиба вокруг направленного ответвителя. В случае прямоугольного сердечника высотой 200 нм и шириной 400 нм радиус изгиба без потерь при изгибе для света с ТЕ и для моды с ТМ сильно отличается: первый может распространяться через резкий изгиб, а второй - нет. Хотя свет с любой из поляризационных мод может распространяться через небольшие изгибы без потерь, острые изгибы лучше для интеграции с высокой плотностью. Поэтому мы разработали один волновод (для TE), чтобы он изгибался резко, а другой (для TM), чтобы он был прямым вдоль направленного ответвителя.

На рисунке 6 показан коэффициент пропускания кросс-порта, смоделированный расчетом расширения собственной моды (EME) для мод TE и TM, в зависимости от ширины сердечника Si и зазора соединителя.

Рисунок 6. Коэффициент пропускания перекрестного порта, моделируемого EME, как функция ширины сердечника Si и зазора соединителя.

Даже когда ядро расширилось с 400 до 420 нм, а зазор сократился с 480 до 440 нм, изменения коэффициента пропускания меньше, чем 0,1 дБ и 0,15 дБ для режимов TE и TM соответственно. Следовательно, наш поляризационный разветвитель имеет большую устойчивость к ошибкам изготовления.

С

.

ЭМ-изображение изготовленного устройства показано на рисунке 7. Устройства были изготовлены на пластине SOI с Si-слоем толщиной 200 нм и скрытым SiO 2- слоем толщиной 3 мкм.

Волоконные проволоки Si имеют ширину 400 нм, а зазор между волноводами составляет 480 нм. Длина муфты и радиус изгиба, направленного ответвителя составляют 10 мкм и 3 мкм соответственно.

Рисунок 7. СЭМ-изображение изготовленного устройства

Для эффективной связи между Si-проводом и внешним волокном мы сделали точечные преобразователи (SSC) на концах Si-проводов. Каждый SSC имеет кремниевый обратный конус с наконечником шириной 80 нм, сердцевину из оксида кремния, богатого кремнием , площадью 3 мкм , и SiO 2 толщиной 7 мкм . Потери при распространении были измерены методом сокращения и оказались равными 2,2 дБ / см для ТЕ-моды и 1,7 дБ / см для ТМ-моды. Потери связи составляли 0,5 дБ / точка для волокна с малым сердечником диаметром 4,3 мкм для обеих поляризаций. Si-провода и SSC были изготовлены с помощью электронно-лучевой литографии и электронно-циклотронного резонансного плазменного травления для формирования гладких поверхностей.

Свет от широкополосного источника света был отфильтрован через поляризатор, и линейно поляризованный свет был связан с волокном, поддерживающим поляризацию (PMF). При соединении между волокном и SSC Si-провода угол поляризации падающего света измерялся CCD-камерой ближнего инфракрасного диапазона через вращающуюся призму Глана-Томпсона и устанавливался в режим TE или TM путем вращения волокна. Выходной свет был подключен в волокно через SSC и измерен с помощью оптического анализатора спектра.

Спектры пропускания линейного и перекрестного портов для входного света в режимах TE и TM показаны на рисунке 8, Коэффициент пропускания определяется как отношение выходной мощности между поляризационным разветвителем и простым проводным волноводом из Si, длина которого равна разветвителю.

Рисунок 8. Спектры пропускания поперечных и стержневых портов, откалиброванные по выходной мощности простого Si-провода.

Свет в режиме TM может проходить через направленный ответвитель и выводиться через перекрестный порт. С другой стороны, свет с TE-модой распространяется вдоль исходного волновода и появляется в отверстии стержня. Измеренные коэффициенты затухания поперечных и стержневых портов в диапазоне длин волн С-диапазона составляют 10 и 13 дБ соответственно. Избыточные потери для проходящего света составляют менее 0,5 дБ для каждого порта. Не уровневая структура в спектрах стоп-сигнала вызвана небольшим смещением угла поворота входного волокна. В этом эксперименте длина между концом SSC и началом ответвителя составляет 250 µ.м. Этот участок представляет собой обычный Si-провод с сердечником 400 нм × 200 нм. Таким образом, если плоскость поляризации падающего света наклонена к подложке, в спектре пропускания появляются ряби. Интервал длин волн ряби Δ λ можно рассчитать, как

Δ

Код для цитирования: Скопировать