[论文解读] Compact Dual-Polarization Silicon Integrated Couplers for Multicore Fibers

Julián L. Pita, Lucas G. Rocha+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 22被引用 27

一句话总结

本论文提出了一种紧凑型双极化硅-on-insulator（SOI）耦合器，可在标准SOI平台上实现对间距为32 µm的多芯光纤中全部七个芯的高效、同步耦合。通过优化的二维光栅与超紧凑锥形波导，该器件实现了−4.3 dB的耦合效率、48 nm的3 dB带宽，串串串扰低于−42.7 dB，标志着首次在标准SOI平台上实现对密集多芯光纤中所有芯的全双极化耦合的实验演示。

ABSTRACT

Compact fiber-to-chip couplers play an important role in optical interconnections, especially in data centers. However, the development of couplers has been mostly limited to standard single-mode fibers, with few devices compatible with multicore and multimode fibers. Through the use of state-of-the-art optimization algorithms, we designed a compact dual-polarization coupler to interface chips and dense multicore fibers, demonstrating, for the first time, coupling to both polarizations of all the cores, with measured coupling efficiency of -4.3 dB and with a 3 dB bandwidth of 48 nm. The dual-polarization coupler has a footprint of 200 mu m(2) per core, which makes it the smallest fiber-to-chip coupler experimentally demonstrated on a standard silicon-on-insulator platform. (C) 2021 Optical Society of America

研究动机与目标

• 解决集成光子学中密集多芯光纤缺乏紧凑型双极化耦合器的问题。
• 通过同时支持所有芯的双极化态，实现高容量光互连。
• 克服现有单极化或非均匀耦合器在空间复用系统中对容量的限制。
• 在与高集成密度兼容的尺寸内实现高耦合效率与低串扰。

提出的方法

• 通过三维有限差分时域（FDTD）仿真，设计了每个芯使用两个叠加的单极化二维光栅的双极化耦合器。
• 采用超紧凑锥形波导（10 µm × 5 µm）将每个光栅连接至450 nm宽的硅波导，以最小化插入损耗。
• 通过仿真优化光栅周期（623 nm）与填充因子（0.7），以最大化耦合效率与带宽。
• 采用电子束光刻与反应离子刻蚀在250 nm SOI衬底（3 µm埋氧层）上制造器件，随后沉积PECVD SiO₂作为包层。
• 采用展开结构进行表征，通过芯片另一侧的常规聚焦光栅耦合器将单模光纤耦合至器件。
• 使用可调谐激光源、带积分球的功率计及带压电控制对准的光谱分析仪，测量耦合效率与串扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在标准SOI平台上设计出一种紧凑型双极化耦合器，以实现对间距为32 µm的密集多芯光纤所有芯的接口？
• RQ2 当所有芯同时支持双极化态时，可实现的耦合效率与3 dB带宽是多少？
• RQ3 制造引起的非均匀性如何影响该紧凑器件的耦合效率与偏振相关损耗？
• RQ4 能否在保持高效率与宽带宽的同时，将相邻芯之间的串扰抑制在−42 dB以下？
• RQ5 每芯200 µm²的尺寸是否足以支持多芯光纤互连中的高密度集成？

主要发现

• 双极化耦合器在芯2处实现了最高−4.3 dB的耦合效率，在芯1处最低为−5.4 dB，各芯间差异为1.1 dB。
• 器件的实验测得3 dB带宽为48 nm，范围为1505 nm至1553 nm，与仿真相比存在轻微蓝移。
• 最坏情况下的芯间串扰在1508 nm波长处测得为−42.7 dB，比该波长下的耦合效率低34.7 dB。
• 偏振相关损耗最大值为0.54 dB，表明对器件非对称性或波导弯曲的敏感性极低。
• 每芯200 µm²的尺寸是目前在标准SOI平台上实现的光纤-芯片耦合器中最小的实验结果。
• 该器件实现了对多芯光纤中全部七个芯的全双极化耦合，是针对此类高密度芯排列的首次实验性演示。