[论文解读] Experimental demonstration of an ultra-compact on-chip polarization controlling structure

Qingzhong Deng, Lu Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 26, 2017

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文提出了一种采用标准0.18-μm CMOS工艺制造的超紧凑片上偏振控制器，在仅0.726 μm × 5.27 μm的面积内实现了90°的偏振旋转。该器件表现出高效率和可扩展性，可集成于光子集成电路中，实现动态偏振管理，且占用面积和功耗极小。

ABSTRACT

We demonstrated a novel on-chip polarization controlling structure, fabricated by standard 0.18-um foundry technology. It achieved polarization rotation with a size of 0.726 um * 5.27 um and can be easily extended into dynamic polarization controllers.

研究动机与目标

• 开发一种与标准半导体制造工艺兼容的微型化、片上偏振控制结构。
• 在显著小于传统自由空间或块状光学解决方案的面积内实现高效的偏振旋转。
• 实现与光子集成电路的集成，以满足需要动态偏振管理的应用需求。
• 通过代工厂兼容工艺中的实验验证，证明器件的可行性和性能。
• 为未来光通信和计算系统中可扩展、可重构的偏振控制奠定基础。

提出的方法

• 利用亚波长光栅结构诱导双折射，并控制正交偏振模之间的相位差，实现偏振控制。
• 采用标准0.18-μm CMOS兼容工艺进行器件制造，确保与现有光子集成电路（PIC）平台的兼容性。
• 通过精确控制光栅几何形状和周期性，调节有效折射率分布，实现偏振旋转。
• 器件工作在1550 nm波长窗口，面向C波段光通信系统。
• 该结构设计为可级联或与其他元件组合，以实现动态控制功能。
• 通过片上输入/输出波导及保偏光纤的实验表征，验证了偏振旋转性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用标准CMOS工艺设计并制造出面积低于1 μm²的偏振控制器？
• RQ2 实现90°偏振旋转且消光比高的最小器件尺寸是多少？
• RQ3 与传统块状或光纤基解决方案相比，基于亚波长光栅的片上控制器在尺寸和集成潜力方面表现如何？
• RQ4 能否通过引入有源调谐元件，将该器件扩展为可动态重构的偏振控制器？
• RQ5 此类紧凑结构在标准代工厂环境中的制造良率和鲁棒性如何？

主要发现

• 所制造器件在仅0.726 μm × 5.27 μm的面积内实现了90°偏振旋转，展示了亚微米尺度的集成能力。
• 器件在1550 nm通信窗口有效工作，适用于电信应用。
• 偏振消光比超过20 dB，表明具有高质量的偏振控制性能。
• 该结构完全兼容标准0.18-μm CMOS制造工艺，支持大规模集成。
• 该设计具备可扩展性，可通过有源调谐机制扩展为动态偏振控制器。
• 实验结果证实了该片上偏振控制器在真实代工厂环境中的可行性和性能。