基于多层波导和光栅辅助耦合器的三维异质集成偏振分束器

The next-generation information technology has been identified as one of the 10 key developing technologies in the Made in China 2025 strategy, which highlights the development of the optical transmission technology aiming at ultra-high speed and capacity, but also the critical equipment and photonic devices underneath. Photonic integrated circuit (PIC) is a promising method for enabling miniaturization, low power consumption and large-scale integration of photonic devices. However, conventional 2D planar PICs are becoming a bottleneck under the demand for optical communication bandwidth. By integrating multiple layers of photonic components in one chip, 3D PICs can provide much higher integration density and flexibility. Polarization management is a key technology in 3D photonic integration. To enable dual-polarization functionality, an integrated polarization beam splitter (PBS) is essential. In this project, we propose to develop a 3D integrated PBS which can split orthogonal polarizations to different layers of waveguides. Grating-assisted coupler (GAC) will be chosen to realize PBS with high polarization extinction ratio (PER) and low interlayer crosstalk. Furthermore, the fabrication technology will be optimized, aiming at delivering highly uniform, accurately aligned and highly repeatable 3D waveguide structures, to improve the PBS performance.

中国制造2025将新一代信息技术定位为十大重要发展领域之一，在高速大容量光传输技术和光通信关键设备器件等方向制定了明确的发展方针。光子集成是实现光通信器件小型化、低功耗和大规模集成的关键技术。目前基于单层平面集成光路与单模光纤阵列的光通信技术，其带宽已接近物理极限。三维光子集成技术通过采用多层波导可以实现更高集成度和灵活性的光子器件，结合光纤传输空分复用技术可以从根本上突破光通信带宽瓶颈。三维光子集成技术研究中的一个关键问题是偏振复用信号的处理。为了实现三维光子集成器件对双偏振信号不同偏振的分别处理，我们拟研究在多层波导之间实现偏振分束的三维集成偏振分束器（PBS），通过对波导物理结构、空间间隔，以及异质光栅辅助耦合器（GAC）的设计实现多层波导间的高偏振消光比和低层间串扰的PBS。我们还将开发并优化微纳加工工艺，完善多层波导高均匀性、高精度对准和高可重复性的制备技术，提升偏振分束性能。

集成光路是实现小型化、低功耗和大规模光子器件的关键技术。目前基于单层平面集成光路与单模光纤阵列的光通信技术，其带宽已接近物理极限。三维集成光路通过在单个芯片上集成多层光子器件，可以提高芯片的集成度和设计灵活性。三维光子集成技术中的一个关键问题是偏振复用信号的处理。本项目主要研究了三维偏振分束器的设计、三维集成光路的加工及其与光纤的耦合，并从偏振复用、空间复用和波长复用等多个维度开展相关研究。本项目的主要研究成果如下：.（1）提出并仿真研究了基于三层异质波导耦合器的偏振分束器。通过上下层聚合物波导和中间氮化硅辅助层的设计实现大层间距波导间的高效耦合，通过设计三层波导的耦合长度实现层间偏振分束。.（2）提出并实验演示了基于双层阵列波导光栅（AWG）的波长解复用器。将一段多模方芯光纤用作三维1×4分束器，输出的四个光斑分别与双层AWG芯片上的四个AWG耦合。本项目开发了双层聚合物波导的加工工艺及其与多模方芯光纤的耦合技术。.（3）提出并实验演示了基于波导分色透镜（WSL）的光纤光谱仪，在芯片上集成了色散和聚焦的功能。通过对多波长激光器光谱和日光光谱的测量验证了WSL用于光谱分析的可行性，并设计套筒将WSL芯片安装到相机上。得益于其小尺寸、灵活设计和易组装的特点，该器件有望应用于天文光谱分析和片上光传感。.（4）提出并仿真研究了基于氮化硅条形几何波导的三维集成偏振旋转分束器，包括由水平和竖直条形波导组成的L型波导、Z型波导和MMI级联L型波导，可以实现偏振旋转和分束等多种功能。条形几何波导具有大有效折射率差和大高宽比，因而能更好地对偏振进行旋转，并将不同偏振分离到不同位置。.（5）提出并实验演示了基于MZI和MMI结构的多功能热光开关，该器件由氮化硅和聚合物异质集成波导实现，通过热调可以分别实现偏振无关路径开关、偏振无关分束器和偏振分束器等多种功能。该工作可应用于多功能片上光网络和光纤输出光的偏振检测。