论文标题：An ultra-compact polarization-insensitive slot-strip mode converter (超紧凑型偏振不敏感狭缝波导-条形波导转换器)

期刊：Frontiers of Optoelectronics

作者：Zihan Tao, Bo Wang, Bowen Bai, Ruixuan Chen, Haowen Shu, Xuguang Zhang, Xingjun Wang

发表时间：22 Apr 2022

DOI：10.1007/s12200-022-00008-5

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第一作者：陶子涵

通讯作者：王兴军

通讯单位：北京大学电子学院

研究背景

硅基光电子学作为一个低成本、高密度、CMOS工艺兼容的集成光学平台，受到了学术界和工业界广泛热烈的关注。硅基狭缝波导是由两跟高折射率硅波导中间嵌入低折射率材料（空气或二氧化硅等）组成，中间的狭缝区是主要的光场能量分布区，由于具有这种独特的光学模式，狭缝波导在许多应用中是不可替代的，如光学高灵敏传感器、高速电光调制器、偏振模式控制器以及非线性光学相关器件。

文章简介

狭缝波导由于其特殊的波导结构，具有良好的光场束缚能力，可以极大提高光与物质的相互作用。然而，狭缝波导传输损耗高，不可能在全部的集成光路中都是用狭缝波导进行信号的传输处理，一般仅在需要狭缝波导的功能区（如高速电光调制器）处使用狭缝波导结构，而芯片的其他部分则使用传统的条形波导。然而，条形波导的光学模式与狭缝波导的模式极不匹配，两种波导结构不能够直接进行连接，这阻碍了狭缝波导在集成光子学的进一步应用。因此，如何解决两种波导模式的模场匹配，实现低损耗模场转化成为了重要的研究课题。

近期，北京大学王兴军教授团队针对上述存在的问题，提出了利用特殊的多模干涉效应（MMI）效应的方法，实现了超紧凑且偏振不敏感的狭缝-条形波导模式转换器，相关工作于2022年4月2日发表在Frontieris of Optoelectronics期刊上，文章题目为：An ultra-compact polarization-insensitive slot-strip mode converter。

图文导读

创新点一：设计正弦型平滑过渡区，利用多模干涉效应实现模场匹配

研究团队通过在两种不同类型的波导中间引入一个平滑过渡区，过渡区的结构由两条不同长度的正弦形状构成（如图1 a和b所示），以保证过渡区的轮廓形状是处处光滑的，从而避免由结构突变造成的模式不匹配带来的反射。当光从狭缝波导进入到中间的过渡区时，由模式展开理论可知，在正弦型过渡区中将会存在多种高阶模式，在过渡区传输时，由于过渡区的轮廓形状并不是传统的正方形，因此这些高阶模式在传播过程中每个模式的有效折射率等参数都会改变，经过计算，当光传播到正弦型过渡区的末端时，基模和高阶模式混叠所产生的光场分布恰好等于条形波导基模的光场分布，即两者的模式重叠因子极高，保证了低损耗高效率的模式转换。

图1 (a)所提出器件的三维结构图(b)正弦型平滑过渡区的示意图，其中Wt=1.1µm，Lt1=0.4µm，Lt2=0.8µm。(c)狭缝波导和条形波导的光场模式差异对比。(d)两种偏振态模式转换结果图

创新点二：利用正弦型过渡区设计自由度大的优点，实现偏振不敏感特性

随着数据容量的传输，偏振复用技术成为了人们关注的焦点，实现器件同时对TE模式和TM模式都能够有很好的模式转换效果成为了研究重点之一。在这里，研究人员利用正弦型过渡区在设计上的高自由度的特点，对两端长度进行了优化设计，如图2所示，通过计算发现，在特定的参数下，TE偏振态和TM偏振态在过渡区的末端处基模和高阶模混叠的光场分布与条形波导的基模的模式重叠因子均极高，即意味着两种偏振态均有了极高的转换效率。

图2 随着结构参数的变化TE偏振态（a）和TM偏振态（b）转换效率变化情况的仿真结果。图（c）和（d）为对关键参数进行工艺容差分析所得器件性能劣化情况

器件制作和测试

研究团队在重庆联合微电子中心进行了有源MPW流片将所提出的器件进行了实际加工与测试，如图3所示，将器件分为对照组和待测试组，对照组仅有输入输出光栅和条形波导，其中耦合光栅包含了针对TE偏振态的光栅和对于TM偏振态的光栅，待测试组则有本文所提出的模式转换器件架构，对应TE偏振态和TM偏振态，工作波长在1550nm下插入损耗分别为-0.4 dB和-0.64 dB，意味着所提出的器件可以同时满足两种偏振态的传输。偏振相关损耗为0.24 dB。器件在1520nm-1570nm的范围下均展示出了很好的器件性能。

图3 (a) 实验装置示意图。(b)器件 SEM 图片。(c) TE0 模式（红线）和 TM0 模式（蓝线）的透射率，黑线为通过鲁棒局部权重回归方法获得的拟合曲线。绿线代表偏振相关损耗 (PDL)

总结和展望

本文通过数值仿真和实际制作与测试验证了一种基于MMI效应的模式转换器，实现了低损耗的模式转换和传输，同时具有偏振不敏感的特性，所设计的器件尺寸也十分紧凑，尺寸仅有1.1µm *1.2µm大小。由于利用了正弦型过渡区，所提出的转换器可以在狭缝波导和条形波导之间建立平滑的连接。这种器件在光学传感、高速调制等应用场合下，同时需要双偏振态工作时有望发挥出重要作用。

作者介绍

王兴军，教授，北京大学博士生导师，电子学系副主任，区域光纤通信网络与新型光通信系统国家重点实验室，教育部新世纪优秀人才（2013），国家自然科学基金委国家重点项目负责人、科技部863重大项目负责人、科委高技术重点研发项目负责人。研究方向为光子芯片与信息系统。

课题组简介

光电子芯片与信息系统创新中心主要致力于研究和开发以光子和电子为信息载体的大规模集成芯片和信息系统，实现在各种尺度上的感知、互连和处理。主要研究方向包括数据中心光收发芯片和系统，微波光电子芯片与系统，硅基片上光放大器与激光器，硅基-传感/二维材料/非线性等新型器件。

http://pcis.pku.edu.cn/index.htm

摘要

Integrated waveguides with slot structures have attracted increasing attention due to their advantages of tight mode confinement and strong light-matter interaction. Although extensively studied, the issue of mode mismatch with other strip waveguide-based optical devices is a huge challenge that prevents integrated waveguides from being widely utilized in large-scale photonic-based circuits. In this paper, we demonstrate an ultra-compact low-loss slot-strip converter with polarization insensitivity based on the multimode interference (MMI) effect. Sleek sinusoidal profiles are adopted to allow for smooth connection between the slot and strip waveguide, resulting reflection reduction. By manipulating the MMI effect with structure optimization, the self-imaging positions of the TE₀ and TM₀ modes are aligned with minimized footprint, leading to low-loss transmission for both polarizations. The measurement results show that high coupling efficiencies of − 0.40 and − 0.64 dB are achieved for TE₀ and TM₀ polarizations, respectively. The device has dimensions as small as 1.1 μm × 1.2 μm and composed of factory-available structures. The above characteristics of our proposed compact slot-strip converter makes it a promising device for future deployment in multi-functional integrated photonics systems.

期刊简介

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格（Springer）出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一，以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、华中科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展，并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会，承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中13种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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