Ultra compact triplexing filters based on SOI nanowire AWGs

Abstract

An ultra compact triplexing filter was designed based on a silicon on insulator (SOI) nanowire arrayed waveguide grating (AWG) for fiber-to-the-home FTTH. The simulation results revealed that the design performed well in the sense of having a good triplexing function. The designed SOI nanowire AWGs were fabricated using ultraviolet lithography and induced coupler plasma etching. The experimental results showed that the crosstalk was less than -15 dB, and the 3 dB-bandwidth was 11.04 nm. The peak wavelength output from ports a, c, and b were 1455, 1510 and 1300 nm, respectively, which deviated from our original expectations. The deviation of the wavelength is mainly caused by 45 nm width deviation of the arrayed waveguides during the course of the fabrication process and partly caused by material dispersion.

Silicon photonic filters

“…Currently, silicon photonic filters have been used widely as a key role in not only the wavelength‐division‐multiplexing (WDM) systems but also spectroscopy sensing. Here, we mainly focus on silicon‐based on‐chip WDM filters with different structures, such Mach‐Zehnder interferometers (MZIs), 12‐19 micro‐ring resonators (MRRs), 20‐34 waveguide Bragg gratings, 35‐46 arrayed‐waveguide gratings (AWGs), 47‐64 and echelle diffraction gratings (EDGs) 62,65‐67 . Figure 1 gives a summary of the reported on‐chip photonic filters based on silicon‐on‐insulator (SOI) nanophotonic waveguides.…”

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…”