Конвертор поляризации на основе нитрида кремния на изоляторе

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

1. Minkenberg C. [et al.]. Co‐packaged data centre optics: Opportunities and challenges. IET Optoelectron. 2021;15(2):77-91. DOI: 10.1049/ote2.12020

2. Siew SY. [et al.]. Review of Silicon Photonics Technology and Platform Development. J. Light. Technol. 2021;39(13):4374-4389. DOI: 10.1109/JLT.2021.3061563

3. Zhou 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.2019.2901558

4. Han 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.202100529

5. Nagatani 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.2022.9777455

6. Kumari 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.2018.11.067

7. Stanton EJ. [et al.]. On-chip polarisation rotator for type I second harmonic generation. APL Photonics. 2019;4(12):126105. DOI: 10.1063/1.5133139

8. Hou Z. [et al.]. On‐Chip Polarisation Rotators. Adv. Opt. Mater. 2019;7(10):1900129. DOI: 10.1002/adom.201900129

9. Gallacher K. [et al.]. Silicon nitride waveguide polarisation rotator and polarisation beam splitter for chipscale atomic systems. APL Photonics. 2022;7(4):046101. DOI: 10.1063/5.0073760

10. Chen 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.23.011152

11. Tian 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/photonics9100758

12. Velasco 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.37.000365

13. Socci 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.23.019261

14. Deng 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.2021.127054

15. El-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.2019.2937687

16. de 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-y

17. Chang 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/coatings7110189

18. Gebhard 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.201700209

19. Joshi 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: 10.1117/12.2522984

20. Wang 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