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Integrated silicon photonic two-dimensional grating couplers
Georgieva, Galina Doneva
Silicon (Si) photonics has proven its importance in the recent years for enabling the integration of photonic components, using available complementary metal oxide semiconductor (CMOS) fabrication flows. The simultaneous realization of electronics and photonics in the same manufacturing platform allows for the accomplishment of high-performance electronic-photonic integrated circuits (EPICs). Their adoption in optical communication systems meets one essential challenge - the optical interfacing to the transmission links, based on single-mode fibers (SMFs). On the one hand, there is a large mode-field mismatch between the tiny on-chip Si waveguide with an area of about 0.1 µm² and the external SMF with a core diameter of around 10 µm. In addition, there is a severe discrepancy between the polarization natures of both optical modes. While the external SMF supports a mode with two orthogonal, degenerated polarization states, the integrated Si waveguides and remaining components are mostly designed for the fundamental transverse electric (TE) polarization. A Si photonic coupling interface is thus required to deliver polarization handling capabilities as well. A favored component for a simple interfacing is the diffraction grating coupler (GC). In its most basic, one-dimensional implementation, a silicon waveguide mode is laterally enlarged by a taper structure, feeding a periodically etched grating. The latter deflects the light under a small angle with respect to the chip surface's normal. The external SMF is tilted under the same angle and placed at a small distance above the grating. The coupling device in this form allows for mode matching, but not for polarization manipulation. For that reason, its modified form - the two-dimensional grating coupler (2D GC) - is necessary. The latter combines two one-dimensional GCs in such a manner, that both orthogonal SMF polarizations are coupled into two separate Si waveguides, supporting the fundamental TE polarization, and vice versa. This time, the SMF is not only tilted with respect to the vertical, but also oriented towards the grating's symmetry axis between the feeding waveguides. Accordingly, the grating should be able not only to diffract both Si modes in a nearly vertical direction, but also to direct them along the symmetry plane.
Although 2D GCs have been known for many years, their efficient and polarization independent design remained very challenging. To overcome this problem, a good basic understanding of the fundamental physical effects in such structures is necessary. This work is entirely dedicated to the investigation and systematization of the physical properties of 2D GCs. The gained theoretical base is used for the 2D GCs' optimization in different aspects. Starting with the theoretical description of the diffraction mechanisms in two dimensions, the interplay between the grating's geometry and coupling angles is demonstrated. Furthermore, an in-depth characterization of the polarization behavior of 2D GCs is presented. New aspects, such as the polarizations' conversion, crosstalk and non-orthogonality are analyzed, tracking their origins back to the in-plane scattering, resulting from the finite size of the grating's perturbing elements with respect to the Si mode. The importance of this physical process in 2D GCs has been underrated until now, and is revealed here as the most determining limitation for the optimal performance of 2D GCs. After this conclusion, several methods for the in-plane scattering's suppression are considered. The feasibility of the proposed approaches is investigated by both numerical simulations and wafer-level experiments. In the end, a novel optimization technique is demonstrated, which allows for the design of efficient 2D GCs with a low polarization crosstalk, low non-orthogonality and low polarization-dependent loss.
Die Integration von photonischen Komponenten auf Basis von vorhandenen CMOS Herstellungsprozessen hat in den letzten Jahren die Bedeutung des Siliziumphotonik-Forschungsgebietes etabliert. Die Realisierung von photonischen und elektronischen Komponenten auf einer gemeinsamen Plattform ermöglicht den Entwurf von leistungsstarken elektronisch-photonischen Schaltkreisen. Ihre Anwendung in optischen Kommunikationssystemen trifft eine essenzielle Herausforderung - die optische Ankopplung zu den Übertragungslinks basierend auf Standard-Einmodenfaser. Auf einer Seite existiert eine große Modenfehlanpassung zwischen dem kleinen, chip-integrierten Siliziumwellenleiter mit einer Querschnittsfläche von 0.1 µm² und der externen Einmodenfaser mit einem Kerndurchmesser von etwa 10 µm. Darüber hinaus gibt es eine bedeutende Diskrepanz bei der Polarisationsführung in beiden Wellenleitern. Während die externe Einmodenfaser eine Mode mit zwei orthogonalen, entarteten Polarisationszuständen unterstützt, sind die integrierten Siliziumkomponenten stark polarisationsabhängig, sodass der Siliziumwellenleiter nur die fundamentale transversal-elektrische (TE) Polarisation führt. Eine siliziumphotonische Koppelstelle soll in der Lage sein, die Polarisation einer Eingangswelle zu manipulieren. Eine bevorzugte Ausführung solch einer Schnittstelle ist der Gitterkoppler. In seiner einfachsten, eindimensionalen (1D) Form wird zunächst der Siliziumwellenleiter lateral erweitert und anschließend einer periodisch geätzten Gitterstruktur zugeführt. Letztere beugt das einfallende Feld, sodass das Licht unter einem nahezu senkrechten Winkel aus dem Chip ausgekoppelt wird. Dementsprechend wird die Faser unter demselben Winkel geneigt und auf unmittelbarer Distanz zur Chipoberfläche angebracht. Diese Form von Kopplung ermöglicht eine Größenanpassung der beiden Moden, aber nicht den Umgang mit deren Polarisationen. Aus diesem Grund ist eine modifizierte Form – der zweidimensionale (2D) Gitterkoppler – notwendig. Diese Struktur kombiniert zwei eindimensionale Gitterkoppler in solcher Art, dass beide orthogonale Polarisationen der externen Faser in zwei getrennte Siliziumwellenleiter mit der Grund-TE-Polarisation angeregt werden. Um das zu ermöglichen, wird die Faser dieses Mal nicht nur unter einem kleinen Winkel geneigt, sondern auch entlang der Gittersymmetrieachse ausgerichtet. Demnach soll das Koppelgitter nicht nur das Licht unter einem nahezu vertikalen Winkel beugen, sondern auch das Licht aus beiden Wellenleitern entlang der Symmetrieachse orientieren.
Obwohl 2D Gitterkoppler längst bekannte Koppelschnittstellen sind, ist ihren effizienten und polarisationsunabhängigen Entwurf sehr anspruchsvoll. Um dieses Problem zu bewältigen, ist ein gutes Verständnis der grundlegenden physikalischen Effekte in solchen Strukturen notwendig. Die vorliegende Arbeit ist vollkommen gewidmet, die physikalischen Eigenschaften von 2D Gitterkopplern gründlich zu untersuchen und klar zu systematisieren. Das erworbene theoretische Grundverständnis ermöglicht die anschließende Optimierung von Gitterkopplern in verschiedene Aspekte. Als Erstes wird die Beschreibung der Beugungsmechanismen in zwei Dimensionen ausgeführt und das Zusammenspiel verschiedener Design-Parametren wird veranschaulicht. Weiterhin wird eine gründliche Charakterisierung des Polarisationsverhaltens in 2D Gitterkopplern dargelegt. Neue Aspekte wie die Polarisationswandlung, -nebensprechen und -Nichtorthogonalität werden analysiert. Als physikalische Ursprung dieser limitierenden Größen wird die Streuung in der Gitterebene erkannt, die aufgrund der endlichen Größe der Gitterstörelemente im Vergleich zur Siliziumwellenleitermode entsteht. Die Bedeutung der Streuung in der Gitterebene als physikalischer Prozess in 2D Koppelgittern wurde bisher unterschätzt. In dieser Arbeit wird die Streuung in der Gitterebene als die entscheidende Limitierung für das optimale Strukturverhalten identifiziert. Nach dieser Erkenntnis werden verschiedene Methoden zur Unterdrückung der ungewünschten Streuung untersucht. Die Umsetzbarkeit der vorgeschlagenen Optimiertechniken wird durch numerische Simulationen und Experimente auf Wafer-Ebene analysiert. Am Ende der Arbeit wird eine neuartige Optimierungsstrategie vorgestellt, die es erlaubt, effiziente 2D Gitterkoppler mit niedrigen Polarisationsnebensprechen, geringe Nichtorthogonalität und kleine polarisationsabhängige Verluste zu entwerfen.
