基于硅基磚砌型亞波長光柵的緊湊型模式轉(zhuǎn)換器*

陸夢佳 惲斌峰

(東南大學,先進光子學中心,南京 210096)

亞波長光柵可以等效為均勻介質(zhì),具備可控的雙折射、色散和各向異性等優(yōu)勢,有利于設計高性能的光子器件.盡管目前傳統(tǒng)的亞波長光柵結(jié)構(gòu)只需要單步刻蝕,然而通常需要100 nm 及以下的制造分辨率,這對當前主流的晶圓級硅光子芯片制造技術來說比較困難.亞波長光柵的各向異性可以通過引入磚砌型拓撲結(jié)構(gòu)來進一步設計,從而在設計中提供額外的自由度,同時還可以降低制造分辨率需求(＞ 100 nm).本文提出并研究了基于硅基磚砌型亞波長光柵的緊湊型TE0-TE1 和TE0-TE2 模式轉(zhuǎn)換器,其中磚砌型亞波長光柵的最小特征尺寸為145 nm.實現(xiàn)了TE0 模式到TE1 模式和TE2 模式的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換區(qū)域長度分別為9.39 μm 和11.27 μm.測試結(jié)果表明,在68 nm (1512—1580 nm,受限于激光器調(diào)諧范圍和光柵耦合器)帶寬內(nèi),插損和串擾分別小于2.5 dB 和—10 dB.

1 引言

面對片上光互連日益增長的傳輸容量需求,多模硅光子學通過引入高階模式來實現(xiàn)模分復用(mode-division multiplexing,MDM)技術[1-3],這樣即使采用單一波長也可以實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)通信.目前已經(jīng)報道了實現(xiàn)片上MDM 系統(tǒng)的許多關鍵單元器件,例如模式(解)多路復用器[4,5]、模式轉(zhuǎn)換器[6,7]、多模波導彎曲[8,9]和多模波導交叉[10].其中,模式轉(zhuǎn)換器是MDM 中一個重要的單元器件,可以實現(xiàn)不同階數(shù)模式之間的轉(zhuǎn)換.國內(nèi)外許多課題組報道了不同設計的硅基模式轉(zhuǎn)換器,主要包括非對稱定向耦合器(asymmetric direction couplers,ADC)[11]、Y 分支結(jié)構(gòu)[12]、馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[13]、多模干涉耦合器(multimode interference,MMI)[14]和特殊波導結(jié)構(gòu)[15]等.其中使用最廣泛的是基于ADC 結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換器,但是這種設計需要滿足相位匹配條件,受結(jié)構(gòu)參數(shù)影響較大,同時受限于工藝容差和相對較窄的帶寬.基于MZI 的模式轉(zhuǎn)換器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于設計、低插損和高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點.2015 年,Oner 等[13]提出了一種基于非平衡MZI結(jié)構(gòu)的模式轉(zhuǎn)換器,該轉(zhuǎn)換器由具有相同臂長但不同橫截面積的介質(zhì)波導設計,通過在不同寬度的等長波導之間引入所需的相位差,實現(xiàn)了從基模到更高階奇數(shù)模式的大帶寬模式階數(shù)轉(zhuǎn)換.在上述工作中,Y 分支被用來分解輸入模式,這通常會導致器件尺寸大.MMI 耦合器具有尺寸緊湊、損耗低和帶寬相對較大的優(yōu)點.2020 年,Chack 等[14]在SOI平臺上制作了一個基于級聯(lián)MMI 的模式轉(zhuǎn)換器.實驗結(jié)果表明在1520—1580 nm 范圍內(nèi),TE0和TE1模式之間的串擾小于—20 dB.但是帶寬還可以進一步提升.2019 年,Liu 等[15]提出了一種基于淺刻蝕菱形和三角形的緊湊型TM0-TM2模式轉(zhuǎn)換器,其中菱形刻蝕部分用于分解輸入TM0模式,兩個三角形刻蝕部分用于在相鄰的波導之間引入π 的相位差.該器件在1458—1560 nm 范圍內(nèi),模式轉(zhuǎn)換效率為94%,模式串擾小于 —15 dB.但是該方案需要兩步刻蝕和高精度淺刻蝕工藝.

亞波長光柵(subwavelength grating,SWG),是一種由高折射率和低折射率材料交替組成的周期性結(jié)構(gòu),其光柵間距遠小于結(jié)構(gòu)中光的波長,并且只需要一個刻蝕步驟[16-20].其通常被等效為均勻介質(zhì),其等效折射率可以通過調(diào)整占空比來自由調(diào)控.當引入SWG 時,可以在很多方面操控導模的特性,包括有效折射率、雙折射和色散.此外,該SWG 結(jié)構(gòu)也具有較低的傳輸損耗(～2 dB/cm),與常規(guī)條形波導的傳輸損耗相當.值得注意的是,由于深亞波長尺寸,SWG 的制造比常規(guī)SOI 波導更困難,但是由于其獨特的性質(zhì),仍然非常有吸引力.這種特殊的SWG 結(jié)構(gòu)提供了一種新的自由度,可用于設計新型光子器件.2018 年,He 等[21]提出了一種使用基于SWG 的定向耦合器的高階模式(解)多路復用器,其插入損耗在1520—1570 nm內(nèi)低于5.2 dB,器件尺寸約為507 μm×5.29 μm.同年,González-Andrade 等[22]提出了一種基于亞波長結(jié)構(gòu)的雙模轉(zhuǎn)換器和(解)復用器,該器件由SWG 調(diào)控的MMI、90°移相器和對稱Y 分支組成,通過在上臂中背靠背地引入兩個梯形錐形波導,在下臂中引入一個直波導,實現(xiàn)了90°的相移.該器件尺寸為36.0 μm×3.7 μm,在1400—1700 nm 的波長范圍內(nèi),仿真得到的模式轉(zhuǎn)換效率小于—20 dB,插損小于0.84 dB.2020 年,該課題組在220 nm的SOI 平臺上制備了基于亞波長結(jié)構(gòu)的MMI 耦合器的緊湊型寬帶模式轉(zhuǎn)換器和模式復用器[23],器件尺寸為38.6 μm×3.7 μm.實驗結(jié)果表明,在120 nm (1520—1640 nm)帶寬下,TE0和TE1模式的插損均小于1.1 dB,模間串擾均優(yōu)于-18 dB.然而上述方案的器件尺寸均較大,不利于集成化.2019 年,Cheng 等[24]提出了一種基于SWG 結(jié)構(gòu)的緊湊型模式轉(zhuǎn)換器,使用SWG 調(diào)控折射率來將TE0模式轉(zhuǎn)換為TE1,TE2和TE3模式.器件長度分別為8.72 μm,4.98 μm 和14.54 μm,仿真得到在1520—1580 nm 范圍內(nèi),模式轉(zhuǎn)換效率分別大于94.4%,95.7%和83.7%,模間串擾分別小于—15.33 dB,—17.36 dB 和—15.65 dB.但是該方案還沒有通過實驗驗證.同年,Wang 等[25]提出了一種基于傾斜亞波長光柵結(jié)構(gòu)的緊湊型波導模式轉(zhuǎn)換器,可以將TE0模式轉(zhuǎn)換為TE1和TE2模式,耦合長度分別為5.75 μm 和6.736 μm.在1542—1563 nm 和1545—1565 nm 的波長范圍內(nèi),插入損耗分別小于1 和0.5 dB,模式串擾小于—10 dB.然而,該方法需要兩步刻蝕和高精度淺刻蝕工藝.2021 年,Sun 等[26]提出了一種基于梯形SWG 的超寬帶功率耦合和模式轉(zhuǎn)換器.在1507.2—1627.8 nm波長范圍內(nèi),測試得到其轉(zhuǎn)換損耗和串擾分別低于1 dB 和—12.5 dB.然而,由于波導之間的絕熱耦合,器件長度相對較長,約為62.5 μm,且該結(jié)構(gòu)的最小特征尺寸為70 nm,加工具有一定難度.在當前主流的硅光晶圓級制造技術中,充分利用SWG的潛力仍然具有挑戰(zhàn)性.Luque-González 等[27]于2021 年提出了一種磚砌亞波長光柵(bricked subwavelength grating,BSWG)結(jié)構(gòu),它可以等效為可控的雙軸晶體,從而能夠更加靈活地控制其各向異性和色散.與傳統(tǒng)的SWG 相比,其具有更大的最小特征尺寸,有利于促進大規(guī)模制造.

最近,我們在非對稱輸入/輸出波導中引入BSWG,實現(xiàn)了TE 基模到TE 高階模的轉(zhuǎn)換[28].在該方案中,在BSWG 區(qū)域會產(chǎn)生準TE0模式,該準TE0模式可以被視為兩個待轉(zhuǎn)換TE 模式之間的有效橋梁.與傳統(tǒng)SWG 相比,BSWG 的色散平坦度更高,因此可以實現(xiàn)更寬的工作帶寬.通過選擇適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)參數(shù)可以實現(xiàn)輸入/輸出模式和準TE0模式之間的特定模式轉(zhuǎn)換.結(jié)合三維時域有限差分(finite difference time domain,FDTD)方法和粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)方法,優(yōu)化設計了TE0-TE1和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器,可以有效地將TE0模式轉(zhuǎn)換為TE1模式和TE2模式.仿真結(jié)果表明,TE0-TE1和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的插入損耗均小于1 dB,串擾均小于—15 dB,相應的工作帶寬為128 nm (1511—1639 nm)和126 nm (1527—1653 nm).通過實驗驗證了在68 nm 帶寬下,插損和串擾分別小于2.5 dB和—10 dB.此外,通過磚砌型結(jié)構(gòu)獲得了額外的自由度,可以實現(xiàn)大于100 nm 的特征尺寸.

2 方案設計

圖1(a)—(c)分別為提出的模式轉(zhuǎn)換器方案的結(jié)構(gòu)示意圖、BSWG 的部分放大圖和掃描電子顯微 鏡圖(scanning electron microscope,SEM).該器件由3 個部分組成,包括輸入錐形波導、輸出錐形波導和BSWG.輸入錐形波導寬度從WI=500 nm逐漸變細至WT1=145 nm,長度為LT1,輸出錐形波導寬度從WT2逐漸變寬至WO,長度為LT2,其位置由長度WD表示,如圖1(a)所示.BSWG由交替的Si 和SiO2組成,沿傳播方向(z軸)以亞波長周期Λz=290 nm 排列,硅條帶沿x軸以周期Λx=290 nm 周期性劃分,形成的硅塊在z方向上交替移動的距離為Δz.其中偏移量=Δz/Λz.x和z方向的占空比定義為fx=ax/Λx=0.5 和fz=az/Λz=0.5,以產(chǎn)生最大的像素尺寸(145 nm×145 nm).BSWG 的寬度為WMMI,其中硅部分寬度為ax和az,ax=az.Si 和SiO2在λ=1550 nm的折射率分別取3.476 和1.444[29].

圖1 (a) 模式轉(zhuǎn)換器方案的結(jié)構(gòu)示意圖;(b),(c) BSWG 的部分放大圖與SEM 圖Fig.1.(a) Schematic of the mode converter;(b),(c) part enlarged view and SEM image of the BSWG.

為了優(yōu)化所提出的基于BSWG 的模式轉(zhuǎn)換器,通過結(jié)合3D FDTD 和PSO 方法對1.55 μm波長處結(jié)構(gòu)參數(shù)(WMMI,WO,WT2,WD,LT1,LT2,Lc,)進行了優(yōu)化,優(yōu)化采用的仿真軟件為Ansys-Lumerical FDTD.將品質(zhì)因子(FOM)定義為

其中i=1 或2,PTEi表示在輸出波導處獲得的TE 模式的光功率.

此處以TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器為例來簡單說明優(yōu)化過程.將具有特定參數(shù)組合的TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器表示為“粒子”.粒子的位置和速度可以通過使用下面給出的方程來更新[30]:

其中vej和psj(j=1,2 ···)代表粒子的速度和位置,gpj和bpj代表全局最佳位置和個體最佳位置,rand(n)是均勻分布在0—1 之間的隨機數(shù),r1和r2分別是認知率和社會率,慣性權重記為ω.開始優(yōu)化時,初始化粒子的ps和向量ve,其中ps對應于[WMMI,WO,WT2,WD,LT1,LT2,Lc,],ve表示ps在一次迭代后的變化.首先,選擇種群中的粒子作為隨機值,范圍如下: 1.8 μm≤WMMI≤2.5 μm,0.8 μm ≤WO≤1.2 μm,0.15 μm≤WT2≤0.35 μm,0 μm≤WD≤0.8 μm,1 μm≤LT1≤3 μm,1 μm≤LT2≤4 μm,2 μm≤Lc≤4 μm和0≤≤0.5.關于結(jié)構(gòu)參數(shù)搜索范圍的選擇理由如下: 1)為了在目標模式TE1模式和不需要的TE2模式和TE0模式之間取一個平衡,WMMI,WO和WT2的寬度不能太寬或太窄.另外,如圖1(a)所示,WD的搜索范圍應該小于WMMI—WO.2)為了在模式傳播損耗和緊湊的器件尺寸之間取一個權衡,LT1,LT2和Lc的長度不應太長或太短.3)偏移量Δz的最大值為硅線波導的寬度az為Λz的一半.根據(jù)=Δz/Λz,最大值=0.5.最小值為0,對應于傳統(tǒng)的SWG.圖2 給出了具體的優(yōu)化步驟.

圖2 器件優(yōu)化過程流程圖Fig.2.Flow chart of the optimization process.

表1 整理了優(yōu)化后的參數(shù),其中TE0-TE1和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換長度為LT1,LT2,Lc之和,分別為9.39 μm 和11.27 μm.值得注意的是兩種模式轉(zhuǎn)換器輸出波導的位置不同.這是由于輸入的TE0模式在BSWG 區(qū)域會產(chǎn)生準TE0模式,該準TE0模式在輸出區(qū)域通過模式演變轉(zhuǎn)換為目標模式,轉(zhuǎn)換效果受到WD,LT2,WO,WT2等輸出區(qū)域有關參數(shù)影響.因為TE0-TE1和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的目標輸出模式不同,具有不同的有效折射率,所以模式演變過程存在差異,WD的值在PSO中也存在差別.在PSO 優(yōu)化中,WD的取值為0—0.8 μm,通過迭代后得到TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器的WD為0 nm,TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的WD為373 nm.

表1 模式轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化設計參數(shù)Table 1.Optimized design parameters for the mode converter.

圖3(a),(b)為TE0-TE1和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的透射光譜.當插損低于1 dB,串擾低于—15 dB時,TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器的帶寬為128 nm (1511—1639 nm),TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的帶寬為126 nm(1527—1653 nm)的波長范圍內(nèi).在1500 nm 附近的短波長邊緣處,插損下降,串擾迅速增加.這些可能是由布拉格反射引起的,因為波長越來越接近布拉格波長.

圖3 (a) TE0-TE1 模式轉(zhuǎn)換器的透射光譜;(b) TE0-TE2 模式轉(zhuǎn)換器的透射光譜Fig.3.(a) Transmission spectra for the TE0-TE1 mode converter;(b) transmission spectra for the TE0-TE2 mode converter.

3 制造與實驗結(jié)果

為了驗證提出的磚砌型亞波長光柵模式轉(zhuǎn)換器,在具有220 nm 厚頂部硅層、2 μm 厚SiO2埋氧層的絕緣體上硅(silicon-on-insulator,SOI)平臺上,采用100 keV 電子束光刻(electron-beam lithography,EBL)和電感耦合等離子體誘導反應離子刻蝕(ICP-RIE)工藝制作了TE0-TE1和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器.并利用化學氣相沉積法(plasmaenhanced chemical vapor deposition,PECVD)沉積了2.2 μm 厚度的SiO2包層.圖4(a),(b)為制作的參考波導的顯微圖像和SEM 照片.這里使用了TE 型光柵耦合器(grating coupler,GC)進行垂直耦合.采用具有8°傾斜角的光柵耦合器,在1530 nm 的中心波長處測量到的耦合損耗為6.9 dB/面,如圖4(c)中藍線所示.需要注意的是,由于光柵耦合器的帶寬有限,為了測試寬帶器件的光譜響應,一般會在測試時對光纖探頭的傾斜角度進行調(diào)節(jié),這樣可以在一定程度上改變光柵耦合器響應光譜的中心波長,從而滿足在較寬的波長范圍內(nèi)對制備器件的光譜響應進行表征.此處,采用4 種光纖角度對TE 耦合光柵進行通光測試,結(jié)果如圖4(c)所示.可以看出,隨著光纖傾斜角度減小,光柵耦合器響應光譜的中心波長會紅移.但是在長波長范圍(＞ 1580 nm)下,測量光譜存在較大的振蕩,信噪比變差,這可能是由于光柵耦合器的制造引起的,也可能是耦合角度比較小引入了額外的反射.

圖4 (a) 帶有TE GC 的直波導顯微圖;(b) TE GC 的SEM 圖;(c) 不同光纖角度下TE 耦合光柵的傳輸光譜Fig.4.(a) Microscope image of the reference straight waveguide with TE-type grating couplers;(b) SEM image of TE-type grating coupler;(c) transmission spectra of TE-type grating couplers under different fiber angles.

圖5 為TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的顯微圖和TE1-TE3模式復用器的SEM 圖.為了表征制備的模式轉(zhuǎn)換器的插損和串擾,在模式轉(zhuǎn)換器前后級聯(lián)了基于非對稱定向耦合器的模式(解)復用器,以將輸入的基模信號轉(zhuǎn)換為高階模信號并將輸出的高階模信號轉(zhuǎn)換為基模信號進行測量.模式(解)復用器的詳細參數(shù)如表2 所示.對于TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器測量,在同一個芯片上設計了一個器件組(device set)和參考組(reference set)用于對器件響應進行歸一化.其中,TEi復用器(multiplexer,MUX)能夠?qū)妮斎攵丝贗-TEi輸入的TE0模式耦合成總線波導中的TEi模式,并且TEiDeMUX 能夠?qū)Ei模式轉(zhuǎn)換為TE0模式從O-TEi輸出端口輸出.根據(jù)圖5(a),(b)中的參考組可以看出,通過從ITEi端口入射光,測量O-TEi端口,然后將測試結(jié)果除以2,就能夠得到帶有光柵耦合器的TEi復用器的透射光譜.而當i=0 時,則意味著是光柵耦合器本身的透射光譜.因此,在器件組中,測量TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的輸出模式的傳輸特性,可以通過在I-TE0端口入射,測量O-TEi端口,并對相應的TEiDeMUX 和光柵耦合器的傳輸進行歸一化得到.

表2 模式(解)復用器的詳細參數(shù)Table 2.Detail parameters for the mode (de) multiplexer.

圖5 (a),(c) TE0-TE1 模式轉(zhuǎn)換器的測試方案顯微圖;(b),(d) TE0-TE2 模式轉(zhuǎn)換器的測試方案顯微圖以及TE1-TE3 模式復用器的SEM 圖Fig.5.(a),(c) Microscope images of the measure schemes for TE0-TE1 mode converter;(b),(d) microscope images of the measure schemes for TE0-TE2 mode converter and SEM images of TE1-TE3 multiplexer.

以TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器為例.

1)對于參考組來說,當TE0模式從I-TE0輸入時,假設測得O-TE0端口的值為L0,那么單個光柵耦合器的插損即為L0/2;當TE0模式從I-TE1輸入時,假設測得O-TE1端口的值為L1,那么單個TE1DeMUX 和單個光柵耦合器的插損之和即為L1/2;當TE0模式從I-TE2輸入時,假設測得O-TE2端口的值為L2,那么單個TE2DeMUX和單個光柵耦合器的插損之和即為L2/2.

2)對于器件組來說,當TE0模式從I-TE0輸入時,假設測得O-TE1端口的值為L3,待測的TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器的插損為LIL=L3—L1/2 —L0/2,其傳輸路線如圖5(c)黃線所示.而另外兩個端口O-TE0和O-TE2則為測量串擾端口,假設測得這兩個端口的值分別為L4和L5,待測的TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器的串擾分別為LCT0=L4—L0和LCT2=L5—L2/2 —L0/2.

制作得到的TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器以及TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的SEM 圖及其放大的偽彩圖如圖6 所示.圖7 為實驗測試鏈路圖.輸出功率為10 dBm 的可調(diào)諧激光(tunable laser source,Santec,TSL-710)從輸入端口輸入,通過光纖偏振控制器(polarization controller,PC)對入射激光的偏振態(tài)進行調(diào)整以TE 偏振態(tài)輸入芯片.通過器件傳輸后,使用光功率計(power meter,Santec,MPM-210)測量輸出端口的光功率輸出.基于該測試鏈路,通過掃描激光波長,即可得到器件的透射光譜響應.

圖6 TE0-TE1 模式轉(zhuǎn)換器(a)和TE0-TE2 模式轉(zhuǎn)換器(b)的SEM 圖及其放大的偽彩圖Fig.6.SEM images and corresponding pseudocolor SEM images of TE0-TE1 mode converter (a) and TE0-TE2 mode converter (b).

圖7 模式轉(zhuǎn)換器的插損和串擾的測試鏈路圖Fig.7.Experimental setup for measuring the insertion loss and crosstalk of mode converter.

圖8 為測試得到的傳輸光譜.根據(jù)上述分析可知,受光柵耦合器在長波段(＞ 1580 nm)性能影響,選取了工作波段為1500—1580 nm 的光譜進行分析.對于TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器而言,圖8(a)中黑色曲線為TE1模的透過率光譜,代表插損.圖8(a)中紅色和藍色曲線分別為TE0模、TE2模的透過率光譜,它們與TE1模的透過率光譜(黑色曲線)的差值即為相應模式之間的串擾.可以看出,在1500—1580 nm 的工作波長范圍內(nèi),插損小于1.9 dB,串擾小于—10 dB.對于TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器而言,圖8(b)中黑色曲線為TE2模的透過率光譜,代表插損.圖8(b)中紅色、藍色和綠色曲線分別為TE0模、TE1模、TE3模的透過率光譜,它們與TE2模的透過率光譜(黑色曲線)的差值即為相應模式之間的串擾.在1512—1580 nm 的工作波長范圍內(nèi),插損低于2.5 dB,串擾值小于—10 dB.測試得到的透射光譜比仿真結(jié)果稍微差一些,這可能是由于制造誤差引起的,例如波導側(cè)壁不夠平滑,對光產(chǎn)生了一些散射.此外,由于光刻和刻蝕誤差的存在,制造的器件尺寸也可能偏離設計值,比如基于非對稱定向耦合器的模式復用器對制造的變化非常敏感,且?guī)捿^窄,而測試過程中也會引入一定誤差.值得注意的是仿真結(jié)果和實驗結(jié)果中的頻譜均有振蕩,而且兩者的自由光譜范圍(free spectral range,FSR)不同.這是由于受限于工藝的不完美,制備得到的器件尺寸與仿真沒有完全一致,導致諧振不一樣,即不同的FSR,但是數(shù)值上與仿真接近,可驗證仿真結(jié)果.類似的現(xiàn)象在文獻[31]中也存在.除此之外,相比于仿真結(jié)果中1500 nm 附近的插損和串擾增大,實驗測得的1500 nm 附近的插損和串擾曲線較為平坦.這是因為受到工藝的影響,在實際流片中器件的尺寸和仿真中存在差別,同時在實驗中測試結(jié)果也會受到耦合光柵的影響,布拉格波長發(fā)生移動.

圖8 測試得到的器件傳輸譜 (a) TE0-TE1 模式轉(zhuǎn)換器;(b) TE0-TE2 模式轉(zhuǎn)換器Fig.8.Measured transmission spectra: (a) TE0-TE1 mode converter;(b) TE0-TE2 mode converter.

4 結(jié)論

本文通過實驗證明了基于BSWG 結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)材料各向異性的能力,實現(xiàn)了具有大的最小特征尺寸(145 nm)的模式轉(zhuǎn)換器.得益于BSWG 與輸入/輸出非對稱錐形波導之間的模式演變和模式耦合,TE0-TE1和TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換長度分別為9.39 μm 和11.27 μm.測試得到TE0-TE1模式轉(zhuǎn)換器在1500—1580 nm 的光譜范圍內(nèi)的插損小于1.9 dB、串擾小于—10 dB.TE0-TE2模式轉(zhuǎn)換器在1512—1580 nm 的光譜范圍內(nèi)插損小于2.5 dB、串擾小于—10 dB.在68 nm (1512—1580 nm,受限于激光器調(diào)諧范圍和光柵耦合器)帶寬下,插損和串擾分別小于2.5 dB 和—10 dB.此外,該方案可以擴展以實現(xiàn)其余高階波導模式轉(zhuǎn)換,在高密度片上MDM 系統(tǒng)和光信號處理系統(tǒng)中具有潛在的應用.