O波段低损耗、低偏振敏感的光纤芯片高效耦合

文章内容参考论文：O-band low loss and polarization insensitivity bilayer and double-tip edge coupler

文章使用设备：光纤波导耦合系统

硅基光子集成电路（PIC）作为光通信、计算和传感等领域的核心技术，正推动高速光互连与集成光子学的发展。然而，硅光子芯片与光纤的高效耦合始终是制约其大规模应用的关键挑战之一。传统端面耦合器在O波段（1260-1360 nm）因硅波导的强双折射特性，面临显著的偏振相关损耗（PDL），导致TE和TM模式的耦合效率差异较大。

近日，有教授团队提出一种双层双尖端端面耦合器，通过创新结构与工艺设计，在O波段实现TE/TM双模高效耦合。实验结果表明，TE模式耦合损耗低至1.18 dB/facet，TM模式仅1.46 dB/facet（1310 nm波长），且性能稳定，兼容商用硅光工艺。

端面耦合器性能取决于波导模场与光纤模场的匹配程度。本文提出的双层双尖端设计显著降低了模式场失配与偏振依赖性。

图1：双层双尖端端面耦合器示意图

仿真分析发现，传统220 nm波导对TM模式的强限制导致其有效模场面积远小于TE模式。团队采用150 nm波导高度，降低纵向模式束缚，使TE与TM模场面积接近一致。

图2：双头波导以及TE和TM模式场分布

优化尖端波导宽度和间距后，150 nm波导在100-150 nm尖端宽度范围内，TE与TM模式重叠度均超过80%。

图3：不同波导高度下的偏振耦合效率分析

器件基于SOI晶圆制造，顶部硅层220 nm，埋氧层2 μm，采用双层刻蚀工艺（第一层220 nm、第二层70 nm）形成150 nm高度双尖端波导，并PECVD沉积2 μm SiO₂包层。

图4：端面耦合器显微图

性能测试使用1260-1360 nm可调谐激光器和偏振控制器。1310 nm时TE和TM模式耦合损耗分别为1.18 dB/端面和1.46 dB/端面，O波段范围内均保持低于2 dB。

图5：波导耦合系统

该耦合器在O波段的高效表现，使其适用于5G、数据中心和偏振复用系统，具备降低系统复杂度与成本的潜力。其低偏振敏感特性尤其适用于偏振复用系统，可显著降低系统复杂度与成本。随着O波段在短距通信和传感领域的广泛应用，此类高性能耦合器有望成为下一代光子集成芯片的核心组件，推动光电子产业持续革新。

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