儲濤　郭德汾　吳維軻

摘要：從波長、模式、偏振幾個維度的復(fù)用/解復(fù)用和路由出發(fā)，分別提出了新穎的器件設(shè)計方法并制作了相應(yīng)的硅基光子器件，包括：陣列波導(dǎo)光柵器件（AWG）/刻蝕衍射光柵器件（EDG）、模式分離合束器件、偏振分離耦合光柵、偏振分離/分離旋轉(zhuǎn)器件。AWG可以采用一步刻蝕簡單工藝制作形成，EDG插損得到大幅降低，模式分離器件帶寬增大，插損也得到降低，偏振分離耦合光柵的耦合效率得到有效提升，偏振分離/旋轉(zhuǎn)器件的插損和帶寬也被顯著改進(jìn)。以上器件全部符合互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）-180 nm工藝標(biāo)準(zhǔn)，這些器件的研制工作為多維度光波復(fù)用/解復(fù)用處理及傳輸提供了先進(jìn)的器件技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞： 波長復(fù)用/解復(fù)用；模式復(fù)用/解復(fù)用；偏振控制；硅光器件

Abstract： In this paper， various silicon photonic devices designed for wavelength/mode/polarization multiplexing/demultiplexing are proposed， including arrayed waveguide grating （AWG） and etched diffraction grating （EDG）， mode Mux/DeMux devices， polarization splitting grating coupler， and polarization splitting rotating device. With these novel devices， the following results can be achieved： （1） AWG could be formed by single step etching process； （2） EDG insertion loss is greatly reduced； （3） mode splitting device bandwidth increases， while the insertion loss is reduced； （4） the coupling efficiency of the polarization splitting grating coupler is effectively improved； （5） the insertion loss and bandwidth of the polarization splitting rotating device are also significantly improved. It is believed that the Mux/DeMux technologies on dimensions of wavelength/mode/polarization will be strongly supported by these silicon photonic devices， which are compatible with complementary metal oxide semiconductory （CMOS）-180 nm processing technologies.

Key words： wavelength Mux/DeMux； mode Mux/DeMux； polarization controlling； silicon photonic devices

隨著信息社會的高速發(fā)展，海量數(shù)據(jù)信息的傳輸和處理面臨著越來越高的要求。為了更有效地利用已經(jīng)架設(shè)完成的通信和傳輸網(wǎng)絡(luò)，同時降低未建硬件網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)成本，減少硬件所占用的空間要求，復(fù)用和解復(fù)用技術(shù)一直是通信和傳輸領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的持續(xù)追求。在光通信系統(tǒng)中，由于光波在波長、偏振和模式等多個維度上具備攜載不同信息的能力，因此光波的復(fù)用技術(shù)從波分復(fù)用（WDM）技術(shù)被提出以來得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步，特別是WDM已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，成為光通信的基本形式之一。隨著數(shù)據(jù)傳輸對于容量的進(jìn)一步需求，利用光波的偏振和模式完成復(fù)用也已經(jīng)成為新的研究熱點，并在相干通信和模式復(fù)用通信領(lǐng)域得到了關(guān)注，有望成為未來光通信的主要形式之一。隨著技術(shù)的發(fā)展，光通信和數(shù)據(jù)傳輸即將進(jìn)入一個技術(shù)手段與方法更豐富多彩的多維度復(fù)用時代。

另一方面，各種復(fù)用技術(shù)的實現(xiàn)離不開相對應(yīng)的復(fù)用與解復(fù)用器件?，F(xiàn)在廣泛商用的光電子器件基于傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器（PLC）以及化合物半導(dǎo)體材料平臺，在大部分各自維度對應(yīng)的復(fù)用/解復(fù)用器件上有了較為成熟的解決方案。然而，隨著對光電子器件低成本、低能耗、高集成度要求的提高和相干通信等新型通信方式的發(fā)展，硅基光電子集成器件由于其波導(dǎo)拐彎半徑小，利于高密度集成以及可利用成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）產(chǎn)線技術(shù)超低成本批量生產(chǎn)，被普遍寄予厚望，成為構(gòu)建下一代光子通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)互連網(wǎng)絡(luò)乃至量子通信網(wǎng)絡(luò)的理想器件。因此，在調(diào)制器等各種基礎(chǔ)通信器件已成功利用硅基光電子集成技術(shù)研制開發(fā)的基礎(chǔ)上，各種維度對應(yīng)的復(fù)用/解復(fù)用器件也被希望基于硅基光子學(xué)技術(shù)平臺來開發(fā)，以實現(xiàn)光電子通信器件單片集成。

基于以上光復(fù)用技術(shù)的發(fā)展以及新型復(fù)用器件的研發(fā)要求，我們開展了多種對應(yīng)各種維度的硅光復(fù)用解復(fù)用器件的開發(fā)。

1 波長復(fù)用解復(fù)用器件

波長復(fù)用是光通信和數(shù)據(jù)傳輸中最常用的復(fù)用技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用極大地提升了復(fù)用效率，為大容量通信的實現(xiàn)奠定了先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)。在系統(tǒng)中為了實現(xiàn)波長的復(fù)用和解復(fù)用，通常使用陣列波導(dǎo)光柵器件（AWG）、刻蝕衍射光柵器件（EDG）等波分復(fù)用器件。

1.1 AWG

AWG是最常用的波分復(fù)用器件之一，由于其可實現(xiàn)64路甚至更多的波長信道的分/合束，常被用于實現(xiàn)密集波分復(fù)用功能。傳統(tǒng)的AWG多基于PLC石英波導(dǎo)器件，已經(jīng)十分成熟并得到了廣泛應(yīng)用。然而，PLC器件的尺寸一般在幾厘米以上，不利于系統(tǒng)集成，因此，基于絕緣襯底上的硅（SOI）基板的AWG研究也頗受重視。endprint

AWG由輸入輸出波導(dǎo)、自由傳輸區(qū)域和陣列波導(dǎo)構(gòu)成，硅基AWG器件的尺寸可以降低至幾百微米。然而，高密度集成在另一方面也帶來了串?dāng)_控制和波導(dǎo)間模式匹配等問題。在傳統(tǒng)的設(shè)計中，對于和自由傳輸區(qū)域結(jié)合的波導(dǎo)，通常采用雙層刻蝕的楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即利用楔形波導(dǎo)在平面方向增大陣列波導(dǎo)和自由傳輸區(qū)域的光場匹配的同時，采取套刻雙層刻蝕形成垂直方向上的收束/擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，增進(jìn)光場匹配。然而，由于套刻存在對準(zhǔn)誤差，刻蝕存在深度誤差，不可避免將帶來器件結(jié)構(gòu)的不確定性和成品率降低，也增加了制造成本。因此，我們從AWG自由傳輸區(qū)域和陣列波導(dǎo)的耦合特性和需要出發(fā)，通過利用拋物線型楔形波導(dǎo)以最短的長度完成光場的收束/擴(kuò)散，使陣列波導(dǎo)以更小的間距在自由傳輸區(qū)域邊緣排列，在更大效率地接收衍射光的同時能有效控制波導(dǎo)間耦合串?dāng)_不至增大[1-2]。采用以上的設(shè)計，通過一次性曝光刻蝕工藝制作的8×8硅基AWG與采用線性和指數(shù)型楔形波導(dǎo)AWG相比，串?dāng)_最大降低超過7 dB。信道間隔200 GHz和400 GHz的8 × 8硅基AWG插損分別最低達(dá)2.3 dB、2.4 dB，最小串?dāng)_達(dá)-20 dB、 -25 dB，信道的3 dB帶寬為0.9 nm、2.2 nm，性能指標(biāo)和當(dāng)時國際上采用套刻雙層刻蝕的AWG的指標(biāo)不相上下[3]，但是制作工藝卻大為簡化。

1.2 EDG

在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)互連中，由于網(wǎng)絡(luò)簡單，信道數(shù)要求較少，EDG通常被認(rèn)為是比較易于使用的波分復(fù)用/解復(fù)用器件。然而，基于SOI的EDG器件插入損耗通常達(dá)到3 dB以上。而復(fù)用和解復(fù)用器件在傳輸鏈路中配對使用，EDG的插損對于硅基光子傳輸鏈路的建立形成了障礙。

基于EDG的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用上對于降低插損的急迫需求，我們從設(shè)計方法入手對EDG展開了研究。傳統(tǒng)的EDG設(shè)計方法里，光柵參數(shù)的近似模擬計算使得分布在羅蘭圓上的不同輸出通道產(chǎn)生像差，對器件的性能產(chǎn)生影響。過往的研究雖然對光柵周期和朝向都做了優(yōu)化，但是輸出波導(dǎo)采用均勻分布方式，也沒有考慮到多個波長輸出可能需要的優(yōu)化。我們創(chuàng)新性地提出了多點優(yōu)化像差的方法，對多個波長、多個輸出波導(dǎo)的位置分別進(jìn)行計算，從根本上改變了EDG的設(shè)計手法[4]。按此方法我們設(shè)計制作了1 550 nm波段的1×4的EDG器件，其插入損耗1～1.5 dB，串?dāng)_-30.4～-34.0 dB。插入損耗比以往的EDG器件降低了一半以上[5]，為EDG在硅光鏈路中的使用奠定了關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。利用新加坡IME的CMOS-180 nm工藝，在直徑20.32 cm晶圓上的不同位置上制作的EDG也表現(xiàn)出很好的性能一致性。在晶圓中部和邊緣的不同位置隨機(jī)抽取的6個同樣設(shè)計的EDG測試結(jié)果表明：所有器件各信道的插損都低于1.9 dB，器件串?dāng)_小于-26 dB，表明該器件具有非常好的設(shè)計冗余度和工藝適應(yīng)性。

2 模式復(fù)用/解復(fù)用器件

模式復(fù)用技術(shù)作為新興復(fù)用技術(shù)可以進(jìn)一步提高光通信容量，低插損、低串?dāng)_、大帶寬、大制作容差和小尺寸的模式復(fù)用/解復(fù)用器件是實現(xiàn)模式復(fù)用的關(guān)鍵。在保持絕熱耦合器的大帶寬、低插損和大容差的前提下，解決其器件長度過長的問題，我們采用了捷徑絕熱的方法來優(yōu)化器件的絕熱性，設(shè)計驗證了一系列性能優(yōu)良的模式復(fù)用/解復(fù)用器件[6]。

圖1是橫電波模式（TE0）-TE1-TE2-TE3（TE0、TE1、TE2、TE3分別代表電場平行于芯片方向的光波的0、1、2、3階模式分量）共4個模式的復(fù)用/解復(fù)用器件的顯微鏡圖片和部分掃描電鏡圖片。器件的測量結(jié)果如圖2所示，a）—d）分別顯示了TE0、TE1、TE2和TE3信道的傳輸頻譜曲線。在1 500～1 600 nm的測量波長范圍內(nèi)，器件的最大傳輸損耗小于1.3 dB，并且不同信道間的串?dāng)_小于-23 dB。

3 偏振控制器件

隨著相干調(diào)制等高級格式調(diào)制傳輸方式以及量子通信的出現(xiàn)，光的偏振態(tài)作為光的基本形態(tài)之一成為增加復(fù)用形式的一種新維度，而各種偏振控制器件作為光通信中實現(xiàn)光的偏振態(tài)的分離、合束、旋轉(zhuǎn)的關(guān)鍵器件，也越來越多的在SOI平臺上被研究實現(xiàn)。

3.1 偏振分離光柵

通常硅波導(dǎo)與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的光場相差數(shù)百倍，平面耦合（通常使用光柵耦合器）是解決SOI片與光纖之間耦合問題的有效方式，但傳統(tǒng)1D結(jié)構(gòu)的光柵耦合器效率受光偏振態(tài)的影響非常嚴(yán)重。為了解決平面耦合偏振相關(guān)性的問題，一種2D結(jié)構(gòu)的偏振分集光柵耦合器被研制出來，它可以將光纖中任意偏振態(tài)的光耦合到垂直的兩個波導(dǎo)上，可以在完成光纖與芯片的耦合的同時完成光偏振態(tài)的分離，不但減少了片上制作其他偏振處理器件的必要，并且克服了單偏振光柵偏振相關(guān)性強(qiáng)的弱點，非常適合在接收芯片部分應(yīng)用。我們設(shè)計制作的偏振分集光柵耦合器使用IME-CMOS工藝制作，其測試結(jié)果見圖3，耦合效率達(dá)到-3.3 dB，偏振相關(guān)損耗1.2 dB[7]。耦合效率僅亞于Luxtera在2016年發(fā)表的結(jié)果。

3.2 偏振分束器

同樣基于捷徑絕熱的模式轉(zhuǎn)換，我們設(shè)計并制作了大帶寬、高消光比的片上偏振分束器件。相比于以往文獻(xiàn)報道的器件不能在大帶寬范圍內(nèi)同時實現(xiàn)高消光比，如圖4所示，我們制作的器件在1 520～1 620 nm波長范圍內(nèi)插損小于0.8 dB，消光比大于25 dB。器件由3個具有相同參數(shù)的捷徑絕熱的模式轉(zhuǎn)換器件組成，工作原理為橫磁波模式（TM0）光通過模式轉(zhuǎn)換改變端口輸出，而TE0則不會經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換直接輸出。在整個1 520～1 620 nm測量范圍內(nèi)，TE0和TM0最大的插損大約為0.8 dB，串?dāng)_小于-25 dB。

3.3 偏振旋轉(zhuǎn)分離器

為實現(xiàn)偏振分集功能，我們設(shè)計并制作了高性能的偏振旋轉(zhuǎn)分離器件，器件結(jié)構(gòu)包括一個粒子群優(yōu)化的雙層楔形結(jié)構(gòu)和一個基于捷徑絕熱的模式轉(zhuǎn)換分離器件。工作原理為TM0經(jīng)過模式轉(zhuǎn)換分離器件轉(zhuǎn)換成TE0并改變端口輸出；TE0直接從另一端口輸出。我們在O波段設(shè)計制作的偏振旋轉(zhuǎn)分離器件在1 260～1 340 nm波長范圍內(nèi)，器件插損小于1 dB，串?dāng)_小于-22 dB，具體結(jié)果如圖5所示。endprint

4 結(jié)束語

隨著大數(shù)據(jù)時代海量數(shù)據(jù)的傳輸和通信需求越來越大，光波在多維度上的復(fù)用和解復(fù)用技術(shù)必然會在多種應(yīng)用場景越來越受到關(guān)注。我們從波長、模式、偏振等維度復(fù)用的實際研究和應(yīng)用出發(fā)，研制了對應(yīng)各種復(fù)用功能的多種硅基光電子集成器件，可以完成光通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)南鄳?yīng)功能，并且具有在CMOS工藝線上批量生產(chǎn)的工藝可行性，相信在將來高密度集成的光通信多維復(fù)用體系中可以得到廣泛的應(yīng)用。

致謝

本論文中，波長復(fù)用解復(fù)用AWG/EDG器件的研究由富士通研究開發(fā)中心有限公司的葉彤博士和華為技術(shù)有限公司的付云飛完成，在此對他們謹(jǐn)致謝意！

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