Fabrication-tolerant deep photonic networks with universal polarization handling capability

Abstract

Abstract: Photonic Integrated Circuits (PICs) have become widely used in application areas of optical computing, sensing and communications, where parallelization is crucial by dividing data processing pipelines into separate channels based on polarization. Although there are state-of-the-art devices achieving polarization-division multiplexing, polarization splitting, and polarization-independent power splitting, the increasing demand for achieving more complex optical tasks require scaling PICs which are limited by their manual design constraints and prior design knowledge. Here, a novel framework to design fabrication tolerant deep photonic networks of cascaded Mach-Zehnder Interferometers is demonstrated, achieving universal polarization handling tasks. Specifically, 50/50 and 5/95 fabrication-tolerant power splitters are implemented, achieving insertion loss below 0.5 dB and power deviations from the target optical transmission of 2% and 1.5%, respectively. Furthermore, the framework is extended to realize complex polarization management: a polarization splitter achieving an extinction ratio greater than 20 dB for both TE and TM polarizations with less than 0.5 dB insertion loss over a 120 nm bandwidth centered at 1550 nm; a polarization-independent 50/50 power splitter maintaining an insertion loss below 0.45 dB and a 0.5 dB target deviation, and a polarization-dependent arbitrary power splitter showing 0.4 dB deviation from the target -3 dB power for TE polarization and an extinction ratio exceeding 21 dB with 0.5 dB insertion loss for TM polarization, all within a 120 nm bandwidth between 1500-1600 μm wavelength.Özet: Fotonik Entegre Devreler (PIC'ler), polarizasyona dayalı olarak veri işleme hatlarını ayrı kanallara bölerek paralelleştirmenin kritik olduğu optik hesaplama, algılama ve haberleşme gibi uygulama alanlarında yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Polarizasyon bölmeli çoğullama, polarizasyon ayırma ve polarizasyondan bağımsız güç bölme gibi işlevleri yerine getiren son teknoloji ürünü cihazlar bulunsa da, daha karmaşık optik görevleri gerçekleştirme yönündeki artan talep, manuel tasarım kısıtlamaları ve ön tasarım bilgisiyle sınırlı olan PIC'lerin ölçeklendirilmesini gerektirmektedir. Bu çalışmada, evrensel polarizasyon yönetim görevlerini yerine getiren, kademeli Mach-Zehnder Interferometrelerinden oluşan üretim toleranslı derin fotonik ağlar tasarlamak için yenilikçi bir çerçeve sunulmaktadır. Özellikle, 0.5 dB'nin altında eklemleme kaybı ve hedef optik iletimden sırasıyla %2 ve %1.5 güç sapmaları elde eden 50/50 ve 5/95 üretim toleranslı güç bölücüler gerçeklenmiştir. Ayrıca, bu çerçeve karmaşık polarizasyon yönetimini gerçekleştirmek üzere genişletilmiştir: 1550 nm merkezli 120 nm bant genişliğinde 0.5 dB'den az eklemleme kaybı ile hem TE hem de TM polarizasyonları için 20 dB'den büyük bir sönümleme oranı elde eden bir polarizasyon ayırıcı; 0.45 dB'nin altında eklemleme kaybını ve 0.5 dB hedef sapmasını koruyan polarizasyondan bağımsız bir 50/50 güç bölücü; ve TE polarizasyonu için hedef -3 dB güçten 0.4 dB sapma gösteren ve TM polarizasyonu için 0.5 dB eklemleme kaybı ile 21 dB'yi a¸san sönümleme oranına sahip polarizasyona bağlı keyfi bir güç bölücü olup, bu özelliklerin tümü 1500-1600 μm dalga boyu aralığında 120 nm'lik bir bant genişliğinde elde edilmiştir.