基于亚波长光栅辅助定向耦合器的集成铌酸锂偏振分束器

transmission capacity of photonic communication systems. In recent years, PBS has been successfully implemented based on
various structures. Among them, the PBS based on subwavelength grating-assisted directional coupling structure stands out due
heterogeneous integration. Simulation results show that the device achieves a polarization extinction ratio greater than 24. 49 dB
in the wavelength range of 1 500 nm to 1 600 nm. Experimental data further confirms that the polarization extinction ratio of
基金项目:甘肃省自然科学基金重点项目(23JRRA1026) ;甘肃省自然科学基金在站博士后专项项目(23JRRA1126)
作者简介:陈 力(1998—) ,男,浙江省人,硕士研究生。 E-mail:lchen2021@ lzu. edu. cn
通信作者:田永辉,博士,教授。 E-mail:siphoton@ lzu. edu. cn
the device is greater than 18. 06 dB in the wavelength range of 1 500 nm to 1 580 nm.
Key words: thin film lithium niobate integrated photonics; silicon nitride-lithium niobate; polarization control device;
Abstract:Lithium niobate on insulator ( LNOI ) is an ideal platform for realizing high-speed photonic integrated circuits
( PICs) . By taking full advantage of LN, the LNOI platform enables high-speed electro-optic and efficient nonlinear optical
偏振分束器( polarization beam splitter, PBS) 是高速光子集成回路的基本无源组件之一,可用于分离和
组合两种正交的偏振模式———横电( transverse electric, TE) 偏振模式和横磁( transverse magnetic, TM) 偏振
模式。 这一功能在实现片上偏分复用系统 [6] 以及成倍提升光通信数据传输容量方面发挥着关键作用。 迄
状波导组成,Si3 N4 波导沿着 X 切 LNOI 芯片的晶体 Y 方向放置,其结构示意图如图 1 所示。 主波导的宽度设
为 W a ,两个亚波长光栅波导之间的间隙 G 为 200 nm。 波导两侧的光栅宽度设为 W g ,其周期长度、周期数和
占空比分别用 Λ、N 和 f 表示。 为了使波导模式可以平缓地向布洛赫模式过渡,在定向耦合器的两端均引入
to its excellent device performance and compact size. In this paper, we present a high-performance PBS with a subwavelength
grating-assisted directional coupling structure, realized through an indirect etching scheme of silicon nitride-lithium niobate
人 工 晶 体 学 报
第 53 卷 第 3 期
2024 年 3 月
JOURNAL
OF
SYNTHETIC
CRYSTALS
Vol. 53 No. 3
March,2024
基于亚波长光栅辅助定向耦合器的集成
铌酸锂偏振分束器
陈 力,周旭东,袁明瑞,肖恢芙,田永辉
( 兰州大学物理科学与技术学院,兰州 730000)
PBS 尚未在 LNOI 平台上得到演示。
本文提出并实验验证了一种基于 LNOI 平台的高性能 PBS,该 PBS 通过亚波长光栅辅助定向耦合结构实
现。 通过在商用 LNOI 晶圆上沉积一层氮化硅( silicon nitride, Si3 N4 ) 薄膜,并刻蚀 Si3 N4 形成器件结构。 与
LNOI 平台上直接刻蚀方案[12-13] 实现的 PBS [14-17] 相比,氮化硅-铌酸锂(silicon nitride-lithium niobate on insulator,
了一段长度为 L t = 23. 1 μm 的绝热锥来减小模场失配带来的辐射损耗。 此外,半径 R = 150 μm、宽为 W 的 S
弯曲波导分别与器件的输入和输出端口连接,以分离两个波导中的偏振态。
图 1 具有亚波长光栅辅助定向耦合结构的 PBS 示意图。 ( a) 器件的 2D 俯视图;( b) 波导横截面示意图
Fig. 1 Schematics of the polarization beam splitter with a subwavelength grating assisted directional coupling structure
( a) 2D top view of the device; ( b) schematic of the waveguide cross-section
Si3 N4 -LNOI) [18] 混合 异 质 集 成 方 案 可 以 利 用 成 熟 的 互 补 金 属 氧 化 物 半 导 体 ( complementary metal oxidesemiconductor, CMOS)兼容刻蚀工艺对氮化硅进行图形化和刻蚀。 实验结果表明,波长在 1 500 ~ 1 580 nm 时,
所制备的 PBS 在两种偏振态下实现了超过 18. 06 dB 的偏振消光比,同时插入损耗均低于 1. 64 dB。 所设计
的 PBS 具有良好性能和紧凑的器件尺寸(133. 21 μm) ,进一步拓展了 LNOI 平台上的无源器件库,并有望推
动光通信和光电子学领域的发展。
1 设计原理与仿真
所提出的基于光栅辅助定向耦合结构的 PBS 由 Si3 N4 -LNOI 平台上两个完全对称的 Si3 N4 亚波长光栅条
第3 期
陈 力等:基于亚波长光栅辅助定向耦合器的集成ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ酸锂偏振分束器
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该器件的工作原理是:通过在定向耦合器的主波导两侧添加亚波长光栅,并且调整光栅的宽度和占空
今为止,在绝缘体上硅( silicon on insulator, SOI) 平台上已经有许多结构被证明能够实现 PBS,包括定向耦合
器 [7] 、混合等离子体波导 [8] 、马赫-曾德尔干涉仪 [9] 和多模干涉耦合器 [10] 等。 其中,基于定向耦合结构的
PBS 因其结构简单和器件尺寸紧凑而备受关注。 然而,精确控制两种正交偏振模式的拍长( L π ) 使得两个偏
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研究论文
人 工 晶 体 学 报
第 53 卷
学效应。 铌酸锂在 1 550 nm 波长处的折射率较大 ( n o = 2. 21, n e = 2. 14 ) , 并具有较宽的光学透明窗口
(400 nm ~ 5 μm) ,因 而 被 认 为 是 片 上 光 学 操 作 和 处 理 的 理 想 光 子 集 成 平 台。 绝 缘 体 上 铌 酸 锂 ( lithium
Subwavelength Grating-Assisted Directional Coupler
CHEN Li, ZHOU Xudong, YUAN Mingrui, XIAO Huifu, TIAN Yonghui
( School of Physical Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)
于不同结构的 PBS 已经被成功实现,其中,基于亚波长光栅辅助定向耦合结构的 PBS 表现出优异的器件性能和紧凑
的器件尺寸。 本文基于氮化硅-铌酸锂异质集成的间接刻蚀方案,实现了一种亚波长光栅辅助定向耦合结构的高性能
PBS。 仿真结果表明,当波长在 1 500 ~ 1 600 nm 时,器件的偏振消光比均大于 24. 49 dB。 实验数据进一步证实,当波
polarization beam splitter; subwavelength grating; directional coupler
0 引 言
铌酸锂( lithium niobate, LN) [1] 是一种极具潜力的多功能光学材料,具有显著的电光、声光和非线性光
收稿日期:2023-12-29
长在 1 500 ~ 1 580 nm 时,器件偏振消光比均大于 18. 06 dB。
关键词:薄膜铌酸锂集成光子学;氮化硅-铌酸锂;偏振调控器件;偏振分束器;亚波长光栅;定向耦合器
中图分类号:TN256;O78
文献标志码:A
文章编号:1000-985X(2024)03-0465-07
Integrated Lithium Niobate Polarization Beam Splitter Based on a
摘要:绝缘体上铌酸锂( LNOI) 是实现高速光子集成回路( PICs) 的理想平台。 通过充分利用铌酸锂( LN) 的优势,LNOI
平台能够实现高速电光和高效非线性光学集成器件。 偏振分束器( PBS) 作为分离和组合两种正交偏振光模式的关键
无源器件之一,在实现片上偏振复用系统并提升光通信系统数据传输容量方面发挥着至关重要的作用。 近年来,基
integrated devices. The polarization beam splitter ( PBS) is one of the key passive devices for separating and combining two
orthogonal polarized modes, which is essential for realizing on-chip polarization multiplexing systems and enhancing the data
niobate on insulator, LNOI) 平台利用 LN 与二氧化硅基底间的高折射率对比度,得以在亚微米波导中强约束
地限制光场。 这不仅可以充分发挥 LN 优异的材料特性,还显著增强了波导中光场与物质的相互作用。 得
益于 LN 的强电光效应,现阶段 LNOI 平台的研究主要聚焦于有源光子器件,例如激光器 [2] 和电光调制器 [3]
等。 然而,为了实现大规模、高性能、多功能的集成光子电路,业内同样需要开发一些重要的无源组件,以便
与有源器件进行单片集成。 尽管目前已有多种无源器件在 LNOI 平台上得到演示,如光栅耦合器[4] 、模式复用
器[5] 等。 但为了实现大容量、高性能的单片光电集成回路,未来仍需进一步丰富 LNOI 平台上的无源器件库。
振态有效分离是设计此类 PBS 所面临的关键挑战。 近年来,亚波长光栅( subwavelength grating, SWG) [11] 结
构的兴起为设计新型光子器件提供了新的思路。 通过设计光栅的宽度、占空比与周期长度等参数,可以灵活
地调控器件的双折射和色散特性,这为实现高性能的 PBS 提供了更多的可能性。 然而,到目前为止,这种