Ultracompact and Polarization-Independent On-Chip Mode Exchangers Enabled by Subwavelength Grating Metamaterials

超材料 光学 栅栏 极化(电化学) 材料科学 炸薯条 衍射光栅 光电子学 集成光学 耦合模理论 物理 折射率 工程类 电信 物理化学 化学
作者
Zhenzhao Guo,Shengbao Wu,Yunfeng Lai,Shuying Cheng
出处
期刊:Journal of Lightwave Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:43 (1): 308-316
标识
DOI:10.1109/jlt.2024.3451234
摘要

Different from conventional mode-order converters, the mode exchangers (EXC ij ), enabling flexible data exchanging between i - th -mode and j - th -mode, are essential building blocks for passive signal switching, signal routing, and high-capacity mode division multiplexing (MDM) networks. However, mode changers are limited by the strong polarization-dependence, especially on the 220-nm-thick silicon-on-insulator (SOI) platform. In this paper, an ultracompact and polarization-independent EXC 01 and EXC 02 are proposed to overcome this limitation by using MZI-like models. Here, subwavelength grating (SWG) metamaterials are introduced to the input/output Y-branches for mode splitting/combining and one arm for phase shifting. As such, a π phase difference is formed by the SWG-manipulated phase shifter and then the modes guided in branches are combined into the required output modes. The characterizations show low insertion losses (<1.6 dB) and crosstalk (<−15 dB) over bandwidths of 31 nm and 49 nm, for EXC 01 and EXC 02 , respectively. For footprints, EXC 01 /EXC 02 has ultracompact size of 13.42 × 1.704/2.044 × 8.434 μm 2 . For the first time, a polarization-independent mode change between 0- th -mode (0- th -mode) and 1- th -mode (2- th -mode) are achieved and can be applied in in flexible MDM systems, signal routing, passive signal switching and beyond.
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