24、硅光子学中的光学器件

硅光子学中的光学器件

1. 引言

硅光子学中的光学器件在相干光收发器中起着关键作用。本文将介绍一些无源和有源光学器件，包括偏振分束旋转器（PSR）、90°混合器、调制器等，详细阐述它们的工作原理，并展示一些模拟和实验结果。

2. 无源组件

2.1 偏振分束旋转器（PSR）

在绝缘体上硅（SOI）中，由于芯层（硅：nSi ∼3.46）和包层（二氧化硅：nSiO₂ ∼1.45）之间的高折射率对比度，使得高密度光子集成电路（PIC）成为可能。然而，这种高折射率对比度会导致高偏振依赖性（双折射），使PIC对信号偏振模式非常敏感。为了消除集成硅器件的偏振敏感性，常使用偏振分集电路，其中PSR负责分离两个正交模式并旋转其中一个。

PSR主要基于两种原理：模式演化和偏振交叉耦合。
- 基于模式演化的PSR
- 原理 ：这种方法基于两次偏振模式转换，首先从TM₀转换为TE₁，然后从TE₁转换为TM₀。它对制造误差有较好的容忍度，带宽宽，插入损耗低，但缺点是绝热模式演化所需的长度相对较长。
- 结构与工作过程 ：以CPqD开发的基于模式演化的PSR为例，其工作原理分为四个部分：
1. 模式转换器 ：将TM₀模式转换为TE₁模式，同时保持TE₀模式不变。通过沿传播方向改变波导横截面实现模式杂交，从而有效地将TM₀模式转换为TE₁模式。如果输入信号包含TM₀和TE₀两种偏振模式，模式转换器的输出将是TE₁和TE₀。
2. 模式分离器 </