通过亚波长光栅诱导的束缚态实现超宽带双极化多模硅波导交叉

《Optics & Laser Technology》：Ultra-broadband dual-polarization multimode silicon waveguide crossing enabled by subwavelength-grating-induced bound states

紧凑超宽带双极化多模式波导交叉研究。采用二维亚波长光栅阵列调控等效折射率形成束缚态，抑制衍射泄漏。在220nm SOI平台实现13×13μm2超紧凑结构，支持12模式（TE0-TE5和TM0-TM5）传输，1350-2100nm（TE）和1200-1600nm（TM）宽带覆盖，插入损耗<1.08dB，串扰<-20dB。通过调节波导宽度和光栅参数N2可扩展至更高阶模式。为MDM-PDM混合多路复用系统提供高密度集成解决方案。

　　

高志远|张雷|陈芳媛|郭振昭|肖金宝|吴胜宝

光子信息创新中心，河北省光学传感创新中心，河北大学物理科学与技术学院，保定071002，中国

摘要

我们提出并实验验证了一种紧凑型、超宽带且支持双极化的多模波导交叉结构。该设计利用二维亚波长光栅阵列来调节交叉区域周围的等效折射率，从而形成束缚态。为了验证结构模型的正确性，我们在标准的220纳米硅在绝缘体（SOI）平台上，通过单步刻蚀工艺设计并制造了一种能够支持12种模式（TE₀-TE₅和TM₀-TM₅）的波导交叉结构。该器件具有13 × 13微米的紧凑尺寸，在1350–1600纳米的范围内实现了12模双极化的高性能带宽，所有模式的插入损耗均低于0.95分贝，串扰水平低于-20分贝。对于TE极化，工作范围进一步扩展到1350至2100纳米；而TM极化则展示了1200至1600纳米的宽频谱响应。实验结果表明，这种12模波导交叉器在1500–1600纳米范围内的插入损耗小于1.08分贝（TE₅/TM₃），串扰小于-20分贝。值得注意的是，通过灵活调整波导宽度及亚波长光栅阵列参数N₂，该结构还可以扩展以支持更高阶的模式（如TE₀-TE₉、TM₀-TM₉），显示出出色的模式扩展能力。所提出的器件结合了宽带性能、双极化支持以及紧凑的尺寸，为多模波导交叉技术树立了新标杆。它有效解决了偏振分复用和模式分复用系统中密集集成这一关键问题，为高容量片上光互连提供了坚实的基础。

引言

光子集成电路（PICs）密度的增加和多功能性的提升是推动诸如光互连[1]、光计算[2][3]、量子信息处理[4]以及芯片级光学传感[5]等新兴应用发展的主要动力。在可用的材料平台中，硅在绝缘体（SOI）因其高折射率对比度以及与成熟的互补金属-氧化物-半导体（CMOS）制造工艺的兼容性[6]而成为实现PIC的理想选择。为了满足不断增长的数据传输需求，包括波分复用（WDM）、模式分复用（MDM）和偏振分复用（PDM）在内的复用技术已被广泛采用，以实现并行传输和大容量数据处理[7][8][9]。因此，宽带和多模功能器件的开发受到了广泛研究，因为它们能够支持大量的波长或模式通道。随着PICs向更大规模、更高密度和更多功能的演变，片上网络变得越来越复杂，路由、分割和复用组件必须在有限的芯片区域内密集集成，这不可避免地导致了大量的波导交叉节点。作为连接不同功能模块的“光学立交桥”，紧凑且高性能的多模波导交叉器尤为重要。它们的性能直接决定了集成密度的上限和信号传输质量，从而构成了下一代高容量PIC应用（如超高速光互连和并行光计算）的基本构建模块。

近年来，随着光通信系统对容量和集成需求的持续增长，多模波导交叉器已成为实现MDM技术的关键组件，并在光子集成领域吸引了大量研究工作。已经探索了多种方法来开发高性能的多模交叉器[10][11][12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24]，包括级联模式（解）复用器[10][11][12]、多模干涉仪（MMIs）[13][14]、麦克斯韦鱼眼透镜（MFLs）[15][16]、亚波长光栅（SWGs）[17][18]以及逆向设计结构[20][21]。尽管这些设计展现了极具吸引力的性能，但它们通常仅限于单极化操作；因此，实现紧凑且双极化的多模交叉器仍然是一个重大挑战。例如，可以通过组合模式（解）复用器和多个单模交叉器来实现多模交叉，但这种方案不可避免地会引入额外的插入损耗（IL）并占用更大的芯片面积。MMIs虽然基于自成像效应可以实现低损耗的多模交叉，但由于干涉或耦合机制的波长敏感性而带宽有限，且对更高阶模式的扩展性不足。基于超表面或变换光学的梯度折射率透镜也可以实现多模交叉[22][23][24]，然而它们相对较大的尺寸、带宽限制以及对复杂制造工艺的依赖性使其不太适合大规模生产。逆向设计的波导结构提供了紧凑多模交叉的潜力，但其实际应用受到耗时优化过程和可能超出当前制造能力的关键特征尺寸的阻碍。相比之下，基于SWG的器件由于其精确的折射率工程能力，可以提供紧凑且高性能的多模交叉。例如，赵等人使用精心设计的具有各向异性有效折射率的SWGs，实现了一个80纳米带宽、14.8 × 14.8微米尺寸的三模交叉器。郭等人进一步提出了一种超紧凑的三模交叉器，对于TE₀-TE₂模式，其尺寸为5.1 × 5.1微米，带宽为700纳米；对于TM₀-TM₂模式，尺寸为7.6 × 7.6微米，带宽为300纳米，尽管它仅支持单极化下的多模传输，并且需要多步高分辨率光刻工艺。最近，刘等人使用梯度折射率meta透镜实现了一个多模交叉器，并实验验证了一个三通道、六模（TE₀-TE₂和TM₀-TM₂）器件。尽管这种结构采用了不同的设计理念，但其性能仍受到100纳米带宽限制和相对较大的70 × 18.5微米尺寸的约束。这些贡献表明了对双极化多模器件的兴趣日益增长，同时也表明需要进一步的发展，以结合宽带操作、紧凑尺寸以及通过单步刻蚀工艺实现的制造简便性。在混合复用系统中集成MDM和PDM对于扩展链路容量和提高光谱效率至关重要。因此，开发紧凑且超宽带的双极化多模交叉器具有重要的实际价值。

在这项工作中，我们提出并实验验证了一种紧凑型、超宽带且支持双极化的多模波导交叉器，其中二维（2D）SWG阵列对称地嵌入交叉区域周围，以调节折射率分布。该设计形成了一个高折射率的核心，周围环绕着低折射率的SWG区域，从而在传播方向上形成束缚态，有效抑制了向正交波导的衍射泄漏。同时，SWG阵列的有效介质特性降低了器件对色散的敏感性，实现了创纪录的宽工作带宽（TE：1350–2100纳米，TM：1200–1600纳米）。为了验证所提出的架构，我们在标准的220纳米SOI平台上通过单步刻蚀工艺设计并制造了一个支持12种模式（TE₀-TE₅和TM₀-TM₅）的交叉器。制造的器件尺寸仅为13 × 13微米，同时在所有模式下实现了低插入损耗和低串扰（CT）。值得注意的是，通过调整波导宽度及SWG阵列配置等参数，可以进一步灵活提升支持的模式数量和器件性能。这些特点使得所提出的结构成为未来具有高容量、光谱多样性和偏振透明性的多维混合复用光子系统的实用且通用的解决方案。最近在集成光子功能方面的进展突显了紧凑偏振控制和多模管理作为密集混合复用系统 enabling 技术的重要性。特别是，在使用精心设计的锥形和弯曲波导几何形状进行偏振操控和串扰抑制方面取得了系统性的进展，实现了高效的模式控制，而不会增加过多的尺寸或制造复杂性。互补和不对称的锥形弯曲波导阵列已被证明可以显著减少亚波长间距集成中的模式耦合和串扰[25]，而分叉的锥形弯曲结构则能够实现紧凑和宽带偏振分离和旋转，效率很高[26]。更广泛地说，最近的综述强调，可扩展的偏振感知光子架构越来越依赖于几何驱动的模式控制，而非共振或多步制造方法[27]。这些发展突显了宽带、耐制造解决方案的相关性——例如本文提出的基于SWG的束缚态交叉器，它同时解决了多模操作、偏振透明性和大规模集成需求。

设备结构和原理

图1(a)展示了所提出的双极化多模波导交叉器的3D示意图。整体结构沿x、y和z轴对称分布，端口分别标记为A/a和B/b。顶部视图和放大视图分别显示在图1(b)和1(c)中。为了在220纳米SOI平台上实现TE和TM高阶模式的低损耗和高效传输，输入/输出波导的宽度W₀设置为8.5微米。

设计和优化

为了实现多模波导交叉器中多个模式（TE₀-TE₅和TM₀-TM₅）的低损耗和低串扰传输，我们优化了关键的结构参数。垂直于传输方向的SWG周期数N₂决定了SWG排列的密度。该参数通过修改中心区域的折射率来调节传输模式的限制能力，从而实现更平滑的模式场传输。

制造和测量

为了进一步验证设计原理和仿真结果，我们在标准SOI晶圆上制造了器件，该晶圆具有220纳米的顶层硅层和2微米的埋氧层。首先使用电子束光刻进行图案化，然后使用电感耦合等离子体（ICP）刻蚀对硅层进行完全刻蚀。接着使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积了2.2微米的SiO₂顶层包层。图8(a)-(b)展示了测试结果的光学显微镜图像。

结论

总结来说，我们提出并实验验证了一种紧凑型、超宽带且支持双极化的多模波导交叉器，满足了混合MDM–PDM复用系统中对紧凑且高效互连的关键需求，这些系统旨在扩展链路容量并提高高容量PIC的光谱效率。该设计利用2D SWG阵列来调节中心交叉区域周围的等效折射率，实现了高效的模式控制和衍射抑制。

作者贡献声明

高志远：撰写——原始草稿，形式分析，数据整理。张雷：研究，形式分析。陈芳媛：研究，形式分析。郭振昭：撰写——审稿与编辑，研究。肖金宝：资源提供。吴胜宝：撰写——审稿与编辑，监督，资源提供，研究，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了

国家自然科学基金（12004092（62375050）和河北大学的高级人才计划（521000981203的支持。