基于倾斜罗兰圆结构的偏振无关硅纳米线阵列波导光栅的研究

A silicon nanowire waveguide based arrayed waveguide grating (AWG) is a key component for realizing on-chip wavelength selective functions in future high-capacity interchip optical interconnect systems. Because of its large refracitve index difference between Silicon and Silica, the silicon wire waveguide will enable optical circuits that are significantly smaller and have high integration density. However, owing to the large geometrical birefringence in silicon nanowire waveguides, a large polarization dependent wavelength shif occurs in the spectral response of each output channel.This problem is a major road block for realizing practical applications of nanowire AWGs. In this project, we propose a novel design of polarization dispersion compensated AWGs based on Si nanowires. Angled star couplers with an appropriate material as the upper-cladding, in combination with different diffraction orders for TE and TM polarizations are used to achieve uniform polarization compensation for all output channels.This method can achieve a much batter channel uniformity in the polarization dispersion compensation over previously reported techniques. This method does not require extra element, has the advantage of fabrication simplicity and low cost.Based on this novel idea, this project will build an accurate simulation model, design and optimize the structure of the device, and realize a polarization insensitive silicon nanowire AWG.

阵列波导光栅（AWG）是光互连、无源光网络等光通信系统中的核心器件之一。硅纳米线光波导对模场的强限制为器件小型化和高密度集成提供便利，但高折射率差会引起很大的结构双折射，使器件偏振敏感。硅纳米线AWG的偏振敏感性不光表现在中心信道波长漂移，还会引起信道波长间隔的较大变化，对光通信系统有严重影响，劣化传输信号，增大误码率。本项目将研究基于硅纳米线光波导的AWG偏振敏感性机理，分析平板波导区和阵列波导区的双折射差异，在平板波导区采用创新的倾斜罗兰圆结构，选择上包层材料，设计TE和TM偏振模式的衍射级次，使硅纳米线AWG所有波长信道的偏振色散同时得到均匀补偿。该技术无需额外元件，不增加器件尺寸，具有制作简单、成本低且与平面光波导器件制作工艺完全兼容等优点。本项目将在原创思想的基础上建立准确可靠的理论模型，设计优化器件结构，实现所有波长信道均偏振无关的硅纳米线AWG。

本项目的主要研究内容是基于倾斜罗兰圆结构的偏振无关硅纳米线阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，简称AWG）的研究。按照原计划，本项目完成了主要的研究工作，包括器件的新结构、新材料、性能优化研究，以及新的应用领域开发。其中新结构与新机理研究包括偏振敏感性、损耗非均匀、温度敏感性等问题的解决，并且不局限于光互连、光通信领域，对波分复用器件应用于光学传感、微波系统等也进行了调研，取得了相关研究成果。本项目按照原计划进行，开展工作如下：.1、阵列波导光栅的新结构、新机理及性能优化提升的研究：.首先对AWG的偏振敏感特性进行理论分析，研究TE和TM偏振态的色散特性及对AWG的信道波长、通道间隔和插入损耗等性能指标的作用，分析硅纳米线平板波导和沟道波导之间的双折射特性，采用创新的倾斜罗兰圆结构在AWG的输入/输出自由传输区引入长度差，选择上包层材料，设计TE和TM偏振模式的衍射级次，实现了所有信道均偏振无关的硅纳米线AWG。.其次，项目组并不局限于对硅纳米线AWG进行偏振不敏感设计，还将此创新的倾斜罗兰圆的设计方法应用于其他材料和其他器件中，例如基于聚合物材料的AWG，以及基于绝缘体上硅（Silicon on insulator，简称SOI）材料的蚀刻衍射光栅（Etched Diffraction Grating，简称EDG），从而进一步验证了此设计方法的通用性与可靠性。.另一方面，项目组对硅纳米线AWG的温度敏感特性和损耗非均匀特性等问题也进行了理论分析和实验测试，分别提出分割自由传输区，微调阵列波导朝向等创新的解决方案。最终会将以上工作结合，实现信道插入损耗均匀、无频率偏差且温度和偏振均不敏感的硅纳米线AWG。.2、波分复用器件应用领域的拓展： .本项目组在已有工作基础的支持下，进一步研究波分复用器件的实际应用问题，拓展阵列波导光栅的应用范围。光互连是解决“电子瓶颈”问题的最佳方案之一。光波长路由器是片上和片间光互连的核心器件之一。项目组首先提出N×N AWG可用于光波长路由器的实现，给出一种创新的能使N×N AWG光波长路由器所有波长信道频率偏差缩小的技术。且在研究过程中，项目组发现该光波长路由器不仅可用于光互连、光通信系统中，还可以利用该波长循环路由功能，实现光控相阵雷达系统。