Sidelobe reduction in Si photonic wire AWG

Abstract

We designed and fabricated an arrayed waveguide grating demultiplexer of 70 × 75 m 2 size, which consists of Si slab and wire waveguides on silicon-on-insulator substrate. By optimizing the connection between components and the layout of arrayed waveguides, the internal light scattering and the phase error were suppressed. As a result, the clear demultiplexing characteristics were observed with a channel spacing of 8 nm and a sidelobe level of 22 dB in the wavelength range around 1.55 m.

Study on Wavelength Division Multiplexer for Silicon Photonics

“…验 证 ， 单 波 长 信 号 光 的 调 制 及 接 收 处 理 能 力 达 到 40 Gb/s [1][2] [3][4][5] 。由美国高等研究计划署(DARPA)资助， 由 Sun 微系统物理科学中 心、 Luxtera 和 Kotura 公司联合承担的超高性能纳米光子片内通信项目(UNIC) [6] ， 目的是解决紧凑超级计算 系统高集成度、 低功率、 大带宽及低延迟光互连， 在 90 nm CMOS 工艺平台上取得了 320 fJ/bit 混合键合光发 [8][9][10] [11] 。此后， 比利时 Ghent 大学制备出了 16 通道、 通道间隔为 200 GHz 的硅纳米线 AWG， 芯区面积为 200 mm×500 mm， 插损为-3 dB， 串扰为-15 dB~-20 dB [12] 。新加坡 A*STAR 微电子研究所制备了 32 通道的纳 米线 AWG [13] ， 为目前报道的最大通道数。一般硅纳米线 AWG 工作在横电(TE)模式， 偏振相关性大。2012 年， 比利时 Ghent 大学报道了偏振分离解复用器以解决纳米线 AWG 偏振相关性问题， 通过两个完全对称的 AWG 并采用二维光栅耦合， 实现了 16 通道、 200 GHz AWG 偏振分离解复用器， 芯片尺寸为 1400 mm×850 mm,片上损耗 为 2.6 dB， 串扰为 21.5 dB， 偏振相关波长为 0.12 nm， 偏振相关损耗为 0.06 dB~2.32 dB [14] 。2013 年， Ghent 大学报 道了平坦响应的 12 通道、 400 GHz 硅纳米线 AWG， 插入损耗、 串扰和非均匀性分别为-3.29 dB， 17 dB 和 1.55 dB [15] 。 中国科学院半导体研究所自 2009 年开始 SOI 纳米线 AWG 设计及制备研究 [16][17] 通道 TE 模响应的 EDG 作解复用器， 损耗约 5 dB， 串扰小于-15 dB [18] 。比利时 Ghent 大学报道了 4 通道的普 通 EDG [19] ,为减小衍射光栅反射损耗， 他们引入了二阶布拉格光栅代替普通反射面的新型 EDG [20] ， 片上损耗 只有 [21] 。新加坡 A*STAR 微电子研究所制备了 8 通道微环谐振解复用器 [22] [24][25] ； 2010 年 7 月， Intel 报道了 4 路波分 复用器单片集成的 4×12.5 Gb/s 发射和接收芯片， 其中波分复用器采用小尺寸的 4 通道 EDG。2013 年， Intel 公 司在北京举行的 Intel 信息技术峰会上通过视频首次公开演示了面向数据中心、 速度达 100 Gb/s 的全面集成硅 光电模块。2012 年， IBM 报道了 90 nm CMOS 工艺 10 通道 WDM 刻蚀衍射光栅作解复用器、 10 个 Ge/SOI 探测 器阵列的集成芯片， 芯片面积为 0.96 mm 2 ， 接收速率达到 10×25 Gb/s [18] 。2010 年， 新加坡 A*STAR 微电子研究 所报道了系列研究成果， 制备出了 L 波段 32×10 Gb/s AWG 与 Ge/Si 波导探测器单片集成芯片， 误码率为 10 -11 时接收灵敏度在-16 dBm~-19 dBm 之间 [12] 。随后又报道了采用微环谐振器做解复用器的 4 路 4×40 Gb/s 和 8 路 8×20 Gb/s 小型化接收芯片 [22] 。2013 年， 著名的硅基光子学公司 Kotura 研制出 40 通道 EDG 与 Ge 光电探测 器阵列集成的光接收芯片， 探测器的工作速率达到 25 Gb/s， 整个芯片实现了 1 Tb/s 的光接收 [26] 。 4 结束语 介 绍 了 硅 光 子 集 成 中 4 种 波 分 复 用 器 。 其 中 硅 纳 米 线 AWG 及 EDG 单 个 芯 片 就 可 以 成 倍 扩 展 通 道 数 ， 非常适合大通道数密集波分复用， 目前报道的 AWG 通道达到 32 个， 且芯片尺寸不会成倍增加， 响应谱波长 间隔稳定性容易控制。MZI 结构及微环谐振型波分复用器芯片比较适合通道数少的芯片应用， 通道数增大 时 需 要 多 个 单 元 级 联 ， 波 长 准 确 性 及 间 隔 不 易 控 制 ， 需 要 额 外 的 热 控 制 ， 增 加 了 功 耗 ， 目 前 报 道 的 通 道 数 一 般低于 10 个通道， 不适宜较多的密集波分复用。同时给出了自主设计制备的 8 通道硅纳米线 AWG 和 4 通道 EDG 实验结果。随着技术的成熟及成本的下降， 单片集成硅光子芯片将会在毫米至上千公里光互连中得到 广泛的应用。 参 考 文 献…”