基于 SOI 光波导的损耗测试与优化

基于 SOI 光波导的损耗测试与优化

崔丹凤;谢成峰;晋玉剑;刘耀英;李艳娜;韦丽萍;王永华;刘俊;薛晨阳

【摘要】SOI waveguide structure with silica cladding was fabricated by electron beam lithography ,a de-tailed theory analysis of its transmission modes and loss ,and two kinds of losses which are transmission loss and coupling loss were tested .The test results show that there are low losses with single-mode transmission , and the transmission loss can be reduced to 3 .96 dB/cm by adding a cladding layer .The coupling loss can be greatly reduced by using vertical coupling grating ,and the vertical coupling efficiency can reach 32 .7% .%利用电子束光刻技术，制备了带有氧化硅包层的SOI光波导结构，对其传输模态及损耗进行了详细的理论分析，并分别对波导的传输损耗和耦合损耗进行了测试．测试结果验证了单模传输模态时的传输损耗较低，在波导层上添加覆盖层可以将波导传输损耗降低至3．96 dB桙cm ，利用光栅垂直耦合可以大大降低光纤-波导的耦合损耗，耦合效率可以达到32．7％．

【期刊名称】《测试技术学报》

【年(卷),期】2014(000)003

【总页数】6页(P243-248)

【关键词】光波导;传输损耗;弯曲损耗;光栅;垂直耦合

【作者】崔丹凤;谢成峰;晋玉剑;刘耀英;李艳娜;韦丽萍;王永华;刘俊;薛晨阳

【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051; 中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051;中北大学仪器科学与动态

测试教育部重点实验室，山西太原030051; 中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051;中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051; 中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原030051; 中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原030051

【正文语种】中文

【中图分类】TN252

0 引言

随着集成光学的发展，光波导器件得到了越来越广泛的关注.目前，光波导材料主要包括二氧化硅、绝缘体上硅（Silicon－on－Insulator，SOI）、铌酸锂等，其中SOI材料与另外两种材料相比，成本较低且具有更好的材料稳定性，并且与CMOS工艺兼容，更容易集成，因此，越来越多的光波导器件开始选择SOI材料［1，2］.衡量光波导器件性能的一个重要指标是器件的损耗程度，为了能够实现性能好的光波导器件，必须要获得低损耗的波导结构单元［3－5］.近年来，关于光波导损耗方面的研究受到国内外学者的广泛关注，例如，S.J.Mc Nab和

Y.A.Vlasov为了研究弯曲波导的损耗问题，制备了上百个弯曲的波导线［6］；IMEC、根特大学、韩国高等科技学院等多所高校利用氢退火工艺将光波导的表面粗糙度降低到1 nm左右［7，8］.

本文主要是基于光在SOI光波导中的传输模式，利用相关的仿真软件对波导传输损耗进行了理论分析和模拟仿真，并对制备出的低损耗光波导结构分别进行了传输损耗及耦合损耗的测试和计算.

1 理论分析

光波在波导结构中传输时，输出光功率与输入光功率之间的差值称为插入损耗，主要包括波导中的传输损耗以及光纤和波导间的耦合损耗.本文主要研究传输损耗中的散射损耗、辐射损耗以及耦合损耗.波导的传输损耗可以笼统地表示为

图1 波导散射损耗与表面粗糙度、波导宽度关系曲线Fig.1 The curve of relation among the waveguide surface roughness，scattering loss and width

1）散射损耗

散射损耗一般情况下也就是表面散射损耗，设k0为空间波数，n1为波导层的折射率，d为波导宽度，σ表示表面粗糙度，Payne和Lacey对于波导散射损耗的描述如式（2）所示.波导侧壁的粗糙度呈指数型或者高斯型两种分布，且指数型分布时系数m＝0.48，高斯型分布时m＝0.76，利用Matlab软件就可以得到光波导散射损耗、表面粗糙度以及波导宽度的关系曲线，如图1所示.由图1中可以看出，随着波导宽度的增加，散射损耗随之减小，当波导宽度固定时，散射损耗与σ2成正比.

2）辐射损耗

辐射损耗主要是指光在波导中传输时的衬底或覆盖层的辐射，一般在弯曲波导中表现的比较明显，是产生波导弯曲损耗的主要因素.设为环形波导每周的功率损耗百分比，δλd为谐振曲线的半高宽，γt为在谐振峰处的最低功率值，FSR为由频谱宽度，可以得到单模条件下的环形波导弯曲损耗为

弯曲半径与弯曲损耗呈指数关系，半径越小，弯曲损耗越大，随着半径的不断增大，环形波导的光场局域能力也随之增强.另外，光波从硅材料到空气中的反射率约为30%，会产生较大的额外损耗，因此我们在光波导结构的制备过程中沉积了一层

二氧化硅来降低波导表面的辐射损耗.

散射损耗和辐射损耗都属于在波导结构中产生的损耗，在实际测试中单模光纤和波导间的耦合损耗［9］也是影响器件性能的重要因素.光纤与波导的耦合方式主要有端面耦合和光栅垂直耦合两种方式，端面耦合方式由于两种材料存在较大的折射率差，并且具有较严重的模式失配，从而会产生较大的耦合损耗.耦合损耗的定量计

算可表示为

光波导器件不仅可以通过改善波导表面粗糙来降低损耗提高性能，还可以将光的传输状态控制在单模模态下.主要是由于多模模态下的波导光场局域能力较弱，且具

有较大的体积模式，从而造成了泄露损耗和弯曲损耗的增加.因此，在设计光波导

结构时需要将波导宽度控制在0阶导模的截止厚度与1阶导模的截止厚度［10］

之间.

2 设计与制备

在1 550 nm波长段利用束传输法（BPM）对不同波导宽度进行模拟仿真，得到

与有效折射率的关系曲线如图2所示.从结果中可以得到，随着波导宽度的增加，

有效折射率随之增大，而光场倏逝波强度随之减弱，不利于直波导与环形谐振腔的近场耦合.当波导宽度600 nm时，波导属于单模传输模式，可以有效地降低传输

损耗.

图2 有效折射率与波导宽度变化关系图Fig.2 Effective refractive index against waveguide width