DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461

В данной работе представлены результаты исследования влияния геометрических параметров конструкции интегрально-оптического (ИО) конвертора поляризации, реализованный на основе гребенчатой волноводной структуры на нитриде кремния на изоляторе (НКНИ), на эффективность поворота поляризации и выходную оптическую мощность устройства. В результате чего была разработана математическая модель ИО конвертора поляризации с эффективностью поворота поляризации >96 % и выходной мощностью >98 %. Также была предложена конструкция ИО конвертора поляризации, с зеркально отраженной секцией поворота поляризации, что позволяет уменьшить влияние технологической ошибки воспроизводимости геометрии устройства до ±215 нм.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
ISSN 1993-8578
ISSN 2687-0282 (online)
Книги по нанотехнологиям
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под ред. Кавалейро А., Хоссона Д. де
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #7-8/2023
Д.М.Моховиков, А.А.Гуляева, И.В.Кулинич, А.А.Таловская, А.С.Мырзахметов
ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ КОНВЕРТОР ПОЛЯРИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ SiN
Просмотры: 876
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461

В данной работе представлены результаты исследования влияния геометрических параметров конструкции интегрально-оптического (ИО) конвертора поляризации, реализованный на основе гребенчатой волноводной структуры на нитриде кремния на изоляторе (НКНИ), на эффективность поворота поляризации и выходную оптическую мощность устройства. В результате чего была разработана математическая модель ИО конвертора поляризации с эффективностью поворота поляризации >96 % и выходной мощностью >98 %. Также была предложена конструкция ИО конвертора поляризации, с зеркально отраженной секцией поворота поляризации, что позволяет уменьшить влияние технологической ошибки воспроизводимости геометрии устройства до ±215 нм.
Получено: 21.09.2023 г. | Принято: 25.09.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461
Научная статья
ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЙ КОНВЕРТОР
ПОЛЯРИЗАЦИИ НА ОСНОВЕ SᵢN
Д.М.Моховиков1, инженер, ORCID: 0009-0003-8402-1027 / exelenser@gmail.com
А.А.Гуляева1, 2, инженер, ORCID: 0000-0002-2434-0902
И.В.Кулинич1, к.т.н., ст. науч. сотр., ORCID: 0009-0001-0768-3495
А.А.Таловская1, инженер, ORCID: 0009-0001-6796-1135
А.С.Мырзахметов1, инженер, ORCID: 0009-0007-8194-1169
Аннотация. В данной работе представлены результаты исследования влияния геометрических параметров конструкции интегрально-оптического (ИО) конвертора поляризации, реализованный на основе гребенчатой волноводной структуры на нитриде кремния на изоляторе (НКНИ), на эффективность поворота поляризации и выходную оптическую мощность устройства. В результате чего была разработана математическая модель ИО конвертора поляризации с эффективностью поворота поляризации >96 % и выходной мощностью >98 %. Также была предложена конструкция ИО конвертора поляризации, с зеркально отраженной секцией поворота поляризации, что позволяет уменьшить влияние технологической ошибки воспроизводимости геометрии устройства до ±215 нм.

Ключевые слова: ИО конвертор поляризации, гребенчатый оптический волновод, нитрид кремния
Для цитирования: Д.М. Моховиков, А.А. Гуляева, И.В. Кулинич, А.А. Таловская, А.С. Мырзахметов. Интегрально-оптический конвертор поляризации на основе SiN. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 7–8. С. 456–461. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461
Received: 21.09.2023 | Accepted: 25.09.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461
Original paper
THE INTEGRAL-OPTICAL POLARIZATION CONVERTER
BASED ON SᵢN
D.M.Mohovikov1, Engineer, ORCID: 0009-0003-8402-1027 / exelenser@gmail.com
A.A.Guliaeva1, 2, Engineer, ORCID: 0000-0002-2434-0902
I.V.Kulinich1, Cand. of Sci. (Tech), Senior Researcher, ORCID: 0009-0001-0768-3495
A.A.Talovskaya1, Engineer, ORCID: 0009-0001-6796-1135
A.S.Myrzakhmetov1, Engineer, ORCID: 0009-0007-8194-1169
Abstract. This paper presents the results of the study of the influence of geometrical design parameters of an integrated-optical (IO) polarization converter, realized based on a comb waveguide structure on silicon nitride on insulator (SNOI), on the polarization rotation efficiency and output optical power of the device. As a result, a mathematical model of an IO polarization converter with polarization rotation efficiency >96 % and output power >98 % was developed. The design of the polarization converter IO with a mirror-reflected polarization rotation section was also proposed, which allows reducing the influence of technological error of the device geometry reproducibility to ±215 nm.
Keywords: IO polarization converter, rib optical waveguide, silicon nitride
For citation: D.M. Mohovikov, A.A. Guliaeva, I.V. Kulinich, A.A. Talovskaya, A.S. Myrzakhmetov. The integral-optical polarization converter based on SiN. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 7–8. PP. 456–461. https://doi.org/
10.22184/1993-8578.2023.16.7-8.456.461.
ВВЕДЕНИЕ
Потребность в более быстрых и энергоэффективных широкополосных сетях определяет направление мировой исследовательской политики в области оптической передачи данных [1]. Для создания сетей, способных обеспечить работу с растущим трафиком, в современных сетях телекоммуникаций повсеместно внедряются фотонные интегральные схемы (ФИС), в которых потребляемая мощность может быть снижена как минимум на 50 % в сравнении с традиционными интегральными схемами [2].
На сегодняшний день, в связи с увеличением степени интеграции элементов ФИС, возникает проблема высокой чувствительности к поляризации, которая решается при помощи схем разнесения или конвертации поляризации [3]. В следствие чего ведется активная разработка пассивных компонентов, позволяющих удовлетворить высокие требования к поляризационной чувствительности схем [4, 5].
Конвертацию поляризации осуществляют при помощи специальных пассивных устройств – конверторов, которые выполнены в виде ассиметричных гребенчатых волноводов с различной формой поперечного сечения [6–8], длинной от 20 до 150 мкм, обеспечивающих преобразование TE/TM с эффективностью >90 %, а также в виде конусных волноводов [9, 10] длинной от 200 до 1500 мкм, с аналогичной эффективностью преобразования.
Основной проблемой является воспроизведение геометрии ИО конверторов поляризации, так как требуется высокая точность литографии, большое количество технологических операций, а также низкая шероховатость как стенок волноводов, так и поверхности подложки [11]. При сравнении ИО конверторов, полученных на различных фотонных платформах, активно выделяются конверторы поляризации на базе технологии НКНИ [12, 13], отличающиеся низкими вносимыми потерями менее 1 дБ, высокой эффективностью конвертации поляризации >95 % и широким спектром рабочих длин волн, а что самое главное – менее требовательными к литографическому процессу, при возможности интеграции с любыми фотонными платформами на базе тонкопленочного LiNbO3, кремния на изоляторе (КНИ) и InP в сравнении с КНИ-конверторами, обладающими схожими характеристиками, с вносимыми потерями от ~1 до 5 дБ [14, 15].
Таким образом, разработка отечественной технологии НКНИ-конверторов позволит расширить возможности проектирования и производства российских DWDM-систем на любой фотонной платформе.
Поэтому целью работы являлось разработать интегрально-оптический конвертор поляризации на основе НКНИ.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для разработки ИО конвертора была построена его математическая модель в специализированном ПО для расчета и проектирования ФИС– ANSYS Lumerical.
Моделирование выполнялось при помощи метода конечных элементов (МКЭ), который используется при анализе различных фотонных устройств исходя из их геометрии и свойств материалов, входящих в их состав. Основной математический аппарат данного метода сосредоточен на профилях мод, частотах среза и эффективных показателях преломления, благодаря чему возможна оптимизация геометрии волновода в интегральной фотонной системе [16].
Модель ИО конвертора – это волноводная гребенчатая структура на основе НКНИ, состоящая из прямоугольного гребенчатого волновода на входе, ассиметричного гребенчатого волновода, выполняющего функцию поворота поляризации и прямоугольного гребенчатого волновода на выходе (рис.1).
В данной модели плоско поляризованный свет (λ = 1,55 мкм) распространяется в гребне волновода на основе SiN (n = 2), затем, проходя через секцию поворота (ассиметричный волновод), световая волна испытывает поворот поляризации на 90 градусов и выходит из прямоугольного гребенчатого волновода.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Для осуществления поворота поляризации с максимальной эффективностью (100 %) и с максимальной выходной мощностью (100 %) необходимо разработать конструкцию входного гребенчатого волновода, в котором коэффициент удержания TE-моды ΓTE будет составлять 100 %, а коэффициент удержания TM-моды Γ™ – 0%. А также необходимо разработать конструкцию секции поворота поляризации (ассиметричного гребенчатого волновода), в котором ΓTE и Γ™ будет составлять 50 % для каждой моды.
Прямоугольный волновод
В ходе работы был проведен модовый анализ одномодового гребенчатого волновода для различных ширин гребня w, при этом h = w (рис.2).
Результаты проведенного модового анализа показали, что сближение значений эффективных показателей преломления для TE0 и TM0 наблюдается при значениях ширины w и высоты h гребня волновода от 800 нм.
Однако, так как максимальная толщина пленки SiN ограничена технологическими возможностями научно-образовательного центра "Нанотехнологии" ТУСУР и составляет 800 нм, далее при h = 800 нм было проведено исследование влияния ширины гребня волновода w на коэффициент удержания TE0- и TM0-мод. Результаты исследования показали, что ΓTE = 100 %, а Γ™ = 0 % наблюдаются при ширине гребня волновода w = 850 нм.
Секция поворота
Далее были проведены исследования влияния геометрических параметров ассиметричного гребенчатого волновода на эффективность поворота поляризации, который обеспечивается перетеканием оптической мощности из TE0- в TM0-моду. В результате исследований были определены геометрические параметры секции поворота с максимальной эффективностью поворота поляризации. На рис.3 представлены геометрические параметры поперечного сечения ассиметричного волновода, а результаты расчета представлены в табл.1.
Несмотря на высокую эффективность поворота поляризации (96,3 %) и выходную мощность (98,32 %) полученной конструкции ИО конвертора, при проведении технологической оценки воспроизводимости его геометрии, было обнаружено, что технологический допуск данной конструкции составляет ±60 нм, при увеличении которого эффективность работы устройства значительно падает.
Расширение диапазона технологической ошибки достигается увеличением длины секции конвертации в 2 раза, при этом 25 % длины ассиметричного волновода необходимо зеркально отра­зить (рис.4).
При использовании зеркально отраженной секции конвертации поляризации возможно увеличение допустимой технологической ошибки до 215 нм, при которой наблюдается эффективность конвертации поляризации 96,3 %, а выходная мощность устройства достигает 98,32 %. При этом длина секции конвертора поляризации L составляет 114 мкм.
ВЫВОДЫ
В результате проделанной работы была разработана модель интегрально-оптического конвертора поляризации на основе SixNy/SiO2, обеспечивающего высокую пиковую эффективность конвертации поляризации, достигающую 96,3 %, и выходной мощностью, достигающей 98,32 %, с допустимой технологической ошибкой ±215 нм при длине секции конвертора 114 мкм. Создание прототипа, обеспечивающего схожие характеристики, позволит использовать перспективную технологию НКНИ в более широком спектре устройств фотонной промышленности.
БЛАГОДАРНОСТИ
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № FEWM-2022-0004 "Исследование и разработка способов изготовления интегральных оптических волноводов и элементов на их основе").
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Co-packaged datacenter optics: Opportunities and challenges / Minkenberg C. et al. // IET Optoelectron. 2021. Vol. 15, no. 2. PP. 77–91.
Review of Silicon Photonics Technology and Platform Development / Siew S.Y. et al. // J. Light. Technol. 2021. Vol. 39, no. 13. PP. 4374–4389.
Silicon On-Chip PDM and WDM Technologies Via Plasmonics and Subwavelength Grating /

Zhou Z. et al. // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. IEEE, 2019. Vol. 25, no. 2. PP. 1–13.
Mode and Polarization-Division Multiplexing Based on Silicon Nitride Loaded Lithium Niobate on Insulator Platform / Han X. et al. // Laser Photon. Re. V. 2022. Vol. 16, no. 1. P. 2100529.
GHz-Bandwidth InP-HBT AMUX/ADEMUX Circuits for Beyond-1-Tb/s/ch Digital Coherent Optical Transceivers / Nagatani M. et al. // 2022 IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC). IEEE, 2022. PP. 1–8.
Kumari B., Varshney R.K., Pal B.P. Design of a promising silicon slot waveguide-based ultra-short low loss efficient polarization rotator for the mid-IR // Optik (Stuttg). 2019. Vol. 180. PP. 71–83.
On-chip polarization rotator for type I second harmonic generation / Stanton E.J. et al. // APL Photonics. 2019. Vol. 4, no. 12. P. 126105.
On-Chip Polarization Rotators / Hou Z. et al. // Adv. Opt. Mater. 2019. Vol. 7, no. 10. P. 1900129.
Silicon nitride waveguide polarization rotator and polarization beam splitter for chip-scale atomic systems / Gallacher K. et al. // APL Photonics. 2022. Vol. 7, no. 4. P. 046101.
Low-loss and fabrication tolerant silicon mode-order converters based on novel compact tapers /
Chen D. et al. // Opt. Express. 2015. Vol. 23, no. 9. P. 11152.
Broadband Polarization Rotator and Splitter Based on 70 nm-Etched Waveguides on SOI Platform / Tian  Y. et al. // Photonics. 2022. Vol. 9, № 10. P. 758.
Ultracompact polarization converter with a dual subwavelength trench built in a silicon-on-insulator waveguide / Velasco A.V. et al. // Opt. Lett. 2012. Vol. 37, no. 3. P. 365.
Socci L., Sorianello V., Romagnoli M. 300 nm bandwidth adiabatic SOI polarization splitter-rotators exploiting continuous symmetry breaking // Opt. Express. 2015. Vol. 23, no. 15. P. 19261.
Reconfigurable and low-power consumption polarization rotating beam splitter with EIT-like effect based on SOI ridge waveguide / Deng C. et al // Opt. Commun. 2021. Vol. 495. P. 127054.
El-Aassar O., Rebeiz G.M. 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. Vol. 54, no. 12. PP. 3437–3451.
Heterogeneous Si/III-V integration and the optical vertical interconnect access/ Wang Q. et al. // Opt. Express. 2012. Vol. 20, no. 15. P. 16745.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art