pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2024-15-4-287-294pimi-899Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsКонвертор поляризации на основе нитрида кремния на изолятореSilicon Nitride-on-Insulator Photonics Polarisation ConvertorМоховиковД. М.MokhovikovD. M.

Адрес для переписки:Моховиков Д.М.–Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники,пр-т Ленина, 40, г. Томск 634050, Россия e-mail: denis.m.mokhovikov@tusur.ru

Address for correspondence:Mokhovikov D.M. –Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics, e-mail: denis.m.mokhovikov@tusur.ru

denis.m.mokhovikov@tusur.ruБарбинЕ. С.BarbinE. S.

пр-т Ленина, 40, г. Томск 634050

Lenin Ave., 40, Tomsk 634050, Russia

НестеренкоТ. Г.NesterenkoT. G.

пр-т Ленина, 40, г. Томск 634050

Lenin Ave., 40, Tomsk 634050, Russia

ТаловскаяА. А.TalovskayaA. A.

пр-т Ленина, 40, г. Томск 634050

МырзахметовА. С.MyrzakhmetovA. S.

пр-т Ленина, 40, г. Томск 634050

Lenin Ave., 40, Tomsk 634050, Russia

КулиничИ. В.KulinichI. V.

пр-т Ленина, 40, г. Томск 634050

Lenin Ave., 40, Tomsk 634050, Russia

БарановП. Ф.BaranovP. F.

пр-т Ленина, 30, г. Томск 634050

Lenin Ave., 30, Tomsk 634050, Russia

ИльященкоД. П.Il’yaschenkoD. P.

пр-т Ленина, 30, г. Томск 634050

Lenin Ave., 30, Tomsk 634050, Russia

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияTomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian FederationНациональный исследовательский Томский политехнический университетРоссияNational Research Tomsk Polytechnic UniversityRussian Federation202412122024154287294Copyright © Моховиков Д.М., Барбин Е.С., Нестеренко Т.Г., Таловская А.А., Мырзахметов А.С., Кулинич И.В., Баранов П.Ф., Ильященко Д.П., 20242024Моховиков Д.М., Барбин Е.С., Нестеренко Т.Г., Таловская А.А., Мырзахметов А.С., Кулинич И.В., Баранов П.Ф., Ильященко Д.П.Mokhovikov D.M., Barbin E.S., Nesterenko T.G., Talovskaya A.A., Myrzakhmetov A.S., Kulinich I.V., Baranov P.F., Il’yaschenko D.P.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/899

Фотонные интегральные схемы являются важнейшим компонентом современных телекоммуникационных систем, упрощая процесс управления трафиком и снижая энергопотребление. Однако интеграция подобных компонентов представляет собой серьезную проблему в виде высокой поляризационной чувствительности, которая может ограничить общую производительность устройства. Цель данного исследования – разработать метод проектирования и технологию изготовления поляризационных конвертеров на основе нитрида кремния на изоляторе. Задача данного исследования – удовлетворить специфические требования российских систем плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Конструкция поляризационного конвертора оптимизирована с помощью моделирования методом конечных элементов, проведённого с использованием ANSYS Lumerical. Устройство имеет асимметричный гребенчатый волновод, обеспечивающий вращение поляризации. Технологическая реализация выполнена с использованием плазменно-химического осаждения плёнок нитрида кремния, 3D-лазерной литографии и реактивного ионного травления. В результате установлено, что технологическая погрешность воспроизведения геометрии составляет ± 60 нм. Для увеличения допуска, в конструкцию поляризационного конвертора встроена зеркально-отражённая секция, что позволило увеличить допуск на изготовление до ± 215 нм без ухудшения характеристик устройства. Оптимизированный конвертор поляризации продемонстрировал эффективность вращения поляризации, достигающую 96,3 %, и выходную мощность 98,32 %. Использование асимметричного гребенчатого волновода обеспечило достижение этих результатов, способствуя передаче оптической мощности от поперечной электрической фундаментальной моды к поперечной магнитной фундаментальной моде. В данном исследовании представлен новый метод проектирования и изготовления поляризационных конвертеров на основе нитрида кремния на изоляторе. Предложенный подход повышает эффективность и стабильность контроля поляризации, тем самым обеспечивая разработку надёжных и экономически эффективных оптических устройств в системах плотного мультиплексирования с разделением по длине волны. Эти результаты создают основы для будущих достижений в области интегральной фотоники в области телекоммуникаций и за её пределами

Photonic integrated circuits constitute a vital component of contemporary telecommunications systems, facilitating traffic management and reducing energy consumption. However, the integration of these components presents a significant challenge in the form of high polarization sensitivity, which has the potential to limit the overall performance of the device. The objective of this study was to develop a design method and fabrication technology for polarization converters based on silicon nitride-on-insulator. The design of the polarization converters was optimised through the utilisation of finite element method simulations, conducted using the ANSYS Lumerical software. The device features an asymmetric rib waveguide, which facilitates efficient polarisation rotation. The technological implementation comprised plasma chemical vapor deposition of silicon nitride films, three-dimensional laser lithography, and reactive ion etching. A technological assessment determined that the reproducibility tolerance was ± 60 nm. To address this limitation, a mirrored section was incorporated into the polarization converter design, thereby increasing the allowable fabrication tolerance to ± 215 nm without compromising device performance. The optimised polarization converter exhibited a high level of polarization rotation efficiency, reaching 96.3 %, and an output power of 98.32 %. The utilisation of an asymmetric rib waveguide was pivotal in attaining these outcomes, facilitating the transfer of optical power from fundamental transverse electric to fundamental transverse magnetic modes. The incorporation of a mirrored section enhanced the device's manufacturability, maintaining performance despite geometric deviations. These findings highlight the robustness of the proposed design under typical fabrication constraints. This study presents a novel design and fabrication method for silicon nitride on insulator-based polarization converters. The proposed approach improves efficiency and stability. These results provide a foundation for future advancements in integrated photonics, with potential applications in telecommunications and beyond.

контрольконвертор поляризацииасимметричный волноводнитрид кремния на изоляторефотонные интегральные схемыpolarisation converterasymmetric waveguidesilicon nitride on insulatorphotonic integrated circuitsThe results were obtained within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (theme no. FEWM-2024-0008).ReferencesMinkenberg C. [et al.]. Co‐packaged data centre optics: Opportunities and challenges. IET Optoelectron. 2021;15(2):77-91. DOI: 10.1049/ote2.12020Minkenberg C. [et al.]. Co‐packaged data centre optics: Opportunities and challenges. IET Optoelectron. 2021;15(2):77-91. DOI: 10.1049/ote2.12020Siew SY. [et al.]. Review of Silicon Photonics Technology and Platform Development. J. Light. Technol. 2021;39(13):4374-4389. DOI: 10.1109/JLT.2021.3061563Siew SY. [et al.]. Review of Silicon Photonics Technology and Platform Development. J. Light. Technol. 2021;39(13):4374-4389. DOI: 10.1109/JLT.2021.3061563Zhou Z. [et al.]. Silicon On-Chip PDM and WDM Technologies Via Plasmonics and Subwavelength Grating. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2019;25(2):113. DOI: 10.1109/JSTQE.2019.2901558Zhou Z. [et al.]. Silicon On-Chip PDM and WDM Technologies Via Plasmonics and Subwavelength Grating. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2019;25(2):113. DOI: 10.1109/JSTQE.2019.2901558Han X. [et al.]. Mode and Polarisation‐Division Multiplexing Based on Silicon Nitride Loaded Lithium Niobate on Insulator Platform. Laser Photon. Rev. 2022;16(1):2100529. DOI: 10.1002/lpor.202100529Han X. [et al.]. Mode and Polarisation‐Division Multiplexing Based on Silicon Nitride Loaded Lithium Niobate on Insulator Platform. Laser Photon. Rev. 2022;16(1):2100529. DOI: 10.1002/lpor.202100529Nagatani M. [et al.]. 110-GHz-Bandwidth InPHBT AMUX/ADEMUX Circuits for Beyond-1-Tb/s/ch Digital Coherent Optical Transceivers. 2022 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC). 2022;1-8 pp. DOI: 10.1109/CICC.2022.9777455Nagatani M. [et al.]. 110-GHz-Bandwidth InPHBT AMUX/ADEMUX Circuits for Beyond-1-Tb/s/ch Digital Coherent Optical Transceivers. 2022 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC). 2022;1-8 pp. DOI: 10.1109/CICC.2022.9777455Kumari B., Varshney RK, Pal BP. Design of a promising silicon slot waveguide-based ultra-short low loss efficient polarisation rotator for the mid-IR. Optik (Stuttg). 2019;180:71-83. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.11.067Kumari B., Varshney RK, Pal BP. Design of a promising silicon slot waveguide-based ultra-short low loss efficient polarisation rotator for the mid-IR. Optik (Stuttg). 2019;180:71-83. DOI: 10.1016/j.ijleo.2018.11.067Stanton EJ. [et al.]. On-chip polarisation rotator for type I second harmonic generation. APL Photonics. 2019;4(12):126105. DOI: 10.1063/1.5133139Stanton EJ. [et al.]. On-chip polarisation rotator for type I second harmonic generation. APL Photonics. 2019;4(12):126105. DOI: 10.1063/1.5133139Hou Z. [et al.]. On‐Chip Polarisation Rotators. Adv. Opt. Mater. 2019;7(10):1900129. DOI: 10.1002/adom.201900129Hou Z. [et al.]. On‐Chip Polarisation Rotators. Adv. Opt. Mater. 2019;7(10):1900129. DOI: 10.1002/adom.201900129Gallacher K. [et al.]. Silicon nitride waveguide polarisation rotator and polarisation beam splitter for chipscale atomic systems. APL Photonics. 2022;7(4):046101. DOI: 10.1063/5.0073760Gallacher K. [et al.]. Silicon nitride waveguide polarisation rotator and polarisation beam splitter for chipscale atomic systems. APL Photonics. 2022;7(4):046101. DOI: 10.1063/5.0073760Chen D. [et al.]. Low-loss and fabrication tolerant silicon mode-order converters based on novel compact tapers. Opt. Express. 2015;23(9):11152. DOI: 10.1364/OE.23.011152Chen D. [et al.]. Low-loss and fabrication tolerant silicon mode-order converters based on novel compact tapers. Opt. Express. 2015;23(9):11152. DOI: 10.1364/OE.23.011152Tian Y. [et al.]. Broadband Polarisation Rotator and Splitter Based on 70 nm-Etched Waveguides on SOI Platform. Photonics. 2022;9(10):758. DOI: 10.3390/photonics9100758Tian Y. [et al.]. Broadband Polarisation Rotator and Splitter Based on 70 nm-Etched Waveguides on SOI Platform. Photonics. 2022;9(10):758. DOI: 10.3390/photonics9100758Velasco AV. [et al.]. Ultracompact polarisation converter with a dual subwavelength trench built in a silicon-on-insulator waveguide. Opt. Lett. 2012;37(3):365. DOI: 10.1364/OL.37.000365Velasco AV. [et al.]. Ultracompact polarisation converter with a dual subwavelength trench built in a silicon-on-insulator waveguide. Opt. Lett. 2012;37(3):365. DOI: 10.1364/OL.37.000365Socci L, Sorianello V, Romagnoli M. 300 nm bandwidth adiabatic SOI polarisation splitter-rotators exploiting continuous symmetry breaking. Opt. Express. 2015;23(15):19261. DOI: 10.1364/OE.23.019261Socci L, Sorianello V, Romagnoli M. 300 nm bandwidth adiabatic SOI polarisation splitter-rotators exploiting continuous symmetry breaking. Opt. Express. 2015;23(15):19261. DOI: 10.1364/OE.23.019261Deng C. [et al.]. Reconfigurable and low-power consumption polarisation rotating beam splitter with EITlike effect based on SOI ridge waveguide. Opt. Commun. 2021;495:127054. DOI: 10.1016/j.optcom.2021.127054Deng C. [et al.]. Reconfigurable and low-power consumption polarisation rotating beam splitter with EITlike effect based on SOI ridge waveguide. Opt. Commun. 2021;495:127054. DOI: 10.1016/j.optcom.2021.127054El-Aassar O, Rebeiz GM. A DC-to-108-GHz CMOS SOI Distributed Power Amplifier and Modulator Driver Leveraging Multi-Drive Complementary Stacked Cells. IEEE J. Solid-State Circuits. 2019;54(12):34373451. DOI: 10.1109/JSSC.2019.2937687El-Aassar O, Rebeiz GM. A DC-to-108-GHz CMOS SOI Distributed Power Amplifier and Modulator Driver Leveraging Multi-Drive Complementary Stacked Cells. IEEE J. Solid-State Circuits. 2019;54(12):34373451. DOI: 10.1109/JSSC.2019.2937687de Prenter, Frits, et al. "Stability and conditioning of immersed finite element methods: analysis and remedies." Archives of Computational Methods in Engineering 30.6. 2023;3617-3656 pp. DOI: 10.1007/s11831-023-09794-yde Prenter, Frits, et al. "Stability and conditioning of immersed finite element methods: analysis and remedies." Archives of Computational Methods in Engineering 30.6. 2023;3617-3656 pp. DOI: 10.1007/s11831-023-09794-yChang L-C, Chang C-Y, You Y-W. Ta–Zr–N Thin Films Fabricated through HIPIMS/RFMS Co-Sputtering. Coatings. 2017;7:189. DOI: 10.3390/coatings7110189Chang L-C, Chang C-Y, You Y-W. Ta–Zr–N Thin Films Fabricated through HIPIMS/RFMS Co-Sputtering. Coatings. 2017;7:189. DOI: 10.3390/coatings7110189Gebhard M, Mitschker F, Hoppe C, [et al.]. A combinatorial approach to enhance barrier properties of thin films on polymers: Seeding and capping of PECVD thin films by PEALD. Plasma Process Polym. 2018;15. DOI: 10.1002/ppap.201700209Gebhard M, Mitschker F, Hoppe C, [et al.]. A combinatorial approach to enhance barrier properties of thin films on polymers: Seeding and capping of PECVD thin films by PEALD. Plasma Process Polym. 2018;15. DOI: 10.1002/ppap.201700209Joshi Pooran C. [et al.]. "Low-temperature processing of SiO2 thin films by HD-PECVD technique for gate dielectric applications." Poly-Silicon Thin Film Transistor Technology and Applications in Displays and Other Novel Technology Areas. 2023;5004. DOI: 10.1117/12.2522984Joshi Pooran C. [et al.]. "Low-temperature processing of SiO2 thin films by HD-PECVD technique for gate dielectric applications." Poly-Silicon Thin Film Transistor Technology and Applications in Displays and Other Novel Technology Areas. 2023;5004. DOI: 10.1117/12.2522984Wang Q. [et al.]. Heterogeneous Si/III-V integration and the optical vertical interconnect access. Opt. Express. 2012;20(15):16745. DOI: 10.1364/OE.20.016745Wang Q. [et al.]. Heterogeneous Si/III-V integration and the optical vertical interconnect access. Opt. Express. 2012;20(15):16745. DOI: 10.1364/OE.20.016745

The authors declare that there are no conflicts of interest present.