硅基垂直光栅耦合器的研究进展

收稿日期:20220923
基金项目:国家重点研发计划项目(2018Y F B 2200500);国家自然科学基金资助项目(61204080)
;国家重点实验室基金资助项目(S K L 201804);陕西省重点研发计划项目(2022G Y -012)
;西安市科技计划项目(2020K J R C 0026
)㊂作者简介:刘 勇(1999),男,陕西安康人,硕士研究生㊂通讯作者:冯 松(1982),男,江苏扬州人,教授,博士㊂E -m a i l :f e n g s o n g @x p
u .e d u .c n ㊂第35卷第4期2023年 8月
沈阳大学学报(自然科学版)
J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (
N a t u r a l S c i e n c e )V o l .35,N o .4
A u g .2023
文章编号:2095-5456(2023)04-0309-10
硅基垂直光栅耦合器的研究进展
刘 勇,冯 松*,王 迪,陈梦林,胡祥建,冯露露
(西安工程大学理学院,陕西西安 710048
)摘 要:对国内外硅基垂直光栅耦合器的研究进展进行了总结,讨论了均匀光栅耦合器和非均匀光栅耦合器的研究现状,并对相关耦合器的性能参数做了对比和分析,为未来继续研发更高耦合效率㊁更大耦合带宽的垂直光栅耦合器提供思路与参考㊂
关 键 词:光子器件;光波导;硅基;光栅耦合器;垂直耦合中图分类号:T N 256 文献标志码:A
R e s e a r c hP r o g r e s s o f S i l i c o n -B a s e dV e r t i c a lG r a t i n g C o u p
l e r s L I U Y o n g ,F E N G S o n g ,WA N G D i ,C H E N M e n g l i n ,HU X i a n g j
i a n ,F E N GL u l u
(S c h o o l o f S c i e n c e ,X i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y
,X i a n710048,C h i n a )A b s t r a c t :T h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f s i l i c o n -b a s e d v e r t i c a l g r a t i n g c o u p l e r s a t h o m e a n d a b r o a d w a s s u mm a r i z e d ,t h er e s e a r c hs t a t u so fu n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r sa n dn o n -u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r sw a s d i s c u s s e d ,a n d t h e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so f r e l a t e dc o u p l e r sw e r e c o m p
a r e d a n da n a l y z e d ,w h i c h p r o v i d e di d e a sa n dr e f e r e n c e sf o rt h ef u t u r ed e v e l o p
m e n to fv e r t i c a l g r a t i n g c o u p l e r sw i t hh i g h e r c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n d l a r g e r c o u p l i n g b
a n d w i d t h .K e y w
o r d s :p h o t o n i c d e v i c e s ;o p t i c a lw a v e g u i d e ;s i l i c o n s u b s t r a t e ;g r a t i n g c o u p l e r ;v e r t i c a l c o u p l i n g 随着集成光电子器件在光通信系统中的应用日益广泛,如何实现光纤或激光器与光电集成芯片波导之间的高性能㊁低成本耦合是亟待解决的问题㊂为了维持光波导的单模传输特性,集成光电子器件中光波导的模斑尺寸通常小于1μm ,而单模光纤的模斑尺寸通常为8~10μm ,二者之间尺寸相差巨大,使得光从光纤进入小尺寸的波导器件时,会出现模斑尺寸和有效折射率的失配,进而产生较大的插入损耗,这也是硅基光电子发展的产品化技术难点㊂
为了降低光纤与光芯片波导之间的模式失配和有效折射率失配造成的损耗,学界提出了很多解决
方案,现有的光耦合结构包括楔形模斑转换器[13]㊁透镜耦合器[4]㊁棱镜耦合器[5]和光栅耦合器[610
]等㊂
各种耦合器结构和制作方法多种多样,性能也各有千秋,彼此之间相互竞争㊁相互促进㊂楔形耦合器的耦合效率与耦合带宽很大,但制造工艺复杂且尺寸较大,因此难以和其他器件集成,且输入和输出耦合
只能发生在集成光芯片的边缘,这就限制了光输入/输出(i n p u t /o u t p
u t ,I /O )端口的位置[11]
㊂透镜和棱镜耦合器耦合效率和耦合带宽较好,但工艺复杂对准容差小并且体积较大,难以和其他器件集成㊂而
光栅耦合器制作工艺简单㊁工艺容差大㊁易对准㊁对准容差大㊁易于集成,可与传统微电子工艺兼容,而且可以在光芯片平面的任意位置实现光的输入或输出,灵活布置I /O 端口的位置,
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013沈阳大学学报(自然科学版)第35卷就可以进行片上测试,因此采用光栅耦合器这种耦合方式能大大提高芯片集成度,是解决光纤或激光器与光芯片波导之间高性能㊁低成本耦合的1个重要解决方案㊂
光栅耦合器主要是通过光栅的衍射作用将光纤中的光耦合进波导中,光栅耦合器既可以实现光纤与芯片波导之间的垂直耦合,也可以实现水平耦合,目前研究较多的是基于垂直耦合的光栅耦合器㊂1970年,D a k s s课题组最早开始了对光栅耦合器的研究,他们利用光刻胶制作出了1种均匀对称光栅耦合器[12]㊂随着相关理论和加工技术不断发展,从传统均匀对称的结构出发,研究人员设计制作出了各种不同结构㊁不同材料的光栅耦合器㊂传统均匀对称结构的光栅耦合器在器件设计和制备方面较为简单,但是其对称的结构也限制了耦合效率,在理想情况下最高只能达到50%的耦合效率,难以满足实际的应用需求㊂为了打破结构的限制以提高耦合效率,美国阿拉巴马大学的W a n g课题组设计了1种具有倾斜结构的光栅耦合器[13]㊂通过倾斜光栅的非对称结构解决了对称结构对耦合效率的限制,得到了更好的耦合性能㊂此后,还有更多不同结构的非对称光栅耦合器被设计制作出来㊂本文分析了近年来各国研究人员所提出的各种基于绝缘体上硅(s i l i c o no ni n s u l a t o r,S O I)㊁绝缘体上氮化硅(s i l i c o nn i t r i d e o n i n s u l a t o r,S N O I)和绝缘体上铌酸锂(l i t h i u mn i o b a t e o n i n s u l a t o r,L N O I)材料的性能优异的均匀光栅耦合器与非均匀光栅耦合器,列表总结对比了各种类型的光栅耦合器的性能与优化方法㊂
1均匀光栅耦合器
均匀光栅是结构最简单的光栅耦合器,然而,这种光栅的最大耦合效率是有限的[14],光栅的刻蚀深度㊁占空比㊁以及光栅的材料等因素对耦合效率有很大的影响㊂基于传统的均匀光栅结构,相关科研工作者们提出了诸多方法来提高它的耦合效率,例如:优化器件结构参数㊁增加后反射器㊁顶部增透膜㊁底部反射镜(d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r,D B R)和光栅反射镜(g r a t i n g r e f l e c t o r,G R)等,有效地减少了反向耦合光㊁顶层反射光以及泄漏到硅基底层的光能量,使得更多的光能量能够耦合进波导当中㊂近年来也有许多性能优异的器件结构设计被提出并通过了理论和实验验证㊂
绝缘体上硅是1种广泛应用于集成电路的材料,其具有集成度高㊁速度快㊁耐高温㊁热导率高㊁抗辐射㊁低压低功耗等优点,能够很好地和C MO S工艺兼容且成本低,是非常优秀的材料,是目前硅光子主要的无源波导材料之一㊂2018年韩国科学技术高级研究院的S h a r m a课题组在具有220n m厚的硅器件层的S O I平台上,用时域有限差分法(f i n i t ed i f f e r e n c e t i m ed o m a i n,F D T D)对光栅耦合器进行了模拟[15]㊂对影响光栅耦合效率的几个重要参数光栅周期㊁占空比㊁刻蚀深度进行了优化㊂优化后得到的最佳参数分别为:最佳周期为620n m;最佳占空比为50%;最佳刻蚀深度为80n m,其结构截面如图1所示;光栅耦合器的尺寸为15.5μmˑ10μm㊂最后,采用干法刻蚀制作出了所设计的器件并进行了测试,测试结果显示,在1550n m波长下耦合效率为-3.6d B,3-d B耦合带宽为48n m ㊂
Λ 周期;e d 刻蚀深度;n 折射率㊂
图1优化后的光栅耦合器截面
F i g.1C r o s s s e c t i o no f t h eo p t i m i z e d g r a t i n g c o u p l e r
2019年日本仙台东北大学的Y u等[16]基于均匀对称光栅设计了1种可用于完全垂直耦合的双层光栅耦合器㊂该耦合器结构的截面如图2所示,可工作于1.3μm和1.55μm波长㊂器件上层是1个周期长㊁刻蚀深度深的顶部光栅,这个光栅采用了S i3N4和S i O22种折射率差较小材料来制作,以减小偏振和背反射的影响㊂这个光栅作为分光器,可以有效地将垂直入射的光波转换为倾斜的入射波㊂为了对倾斜波进行2次衍射并将其耦合进波导中,作者设计了1个周期短㊁刻蚀深度浅的第2光栅㊂2个光
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图2 双层光栅耦合器截面
F i g .2 C r o s s s e c t i o no f d o u b l e l a y e r g r a t i n g c o u p
l e r 栅之间由1个高度为d g a p 的S
i O 2间隙层隔开㊂它们通过2维时域有限差分法(2
d i m
e n s i o n a l -
f i n i t ed i f f e r e n c e t i m e d o m a i n ,2D -F D T D )仿真计算了耦合效率和耦合带宽㊂通过合理设计优化2个光栅和硅波导的结构参数,可以满足入射波和波导的相位模式匹配条件㊂优化后的结果显示,在1582n m 波长下T E 0的双端口输出的耦合
效率为41%,T M 0的双端口输出的耦合效率为32.88%,在1322n m 波长下T M 0的双端口的耦合效率输出为27.06%,
测得的3-d B 耦合带宽分别为49㊁47和34n m ㊂
铌酸锂(l i t h i u m n i o b a t e ,L N )
晶体是1种多功能铁电材料,被称为光子学领域中的
硅 ㊂它具有良好的声光㊁非线性光学㊁电光等特性㊂绝缘体上铌酸锂已成为集成光子学领域1个有前途的平台㊂为了利用L N O I 技术提供的优势,需要适用于光纤到L N O I 平台耦合的光栅耦合器㊂2017年山东大学的C h e n 课题组基于z -c u t 薄膜L N O I 材料设计并制作了1种加有底部金属反射镜的光栅耦合器[17
],并对其进行了表征㊂通过在基底层和氧化层
之间加入1层10n m 的金属层,可以减少光向基底层的泄露,并将从光栅耦合器中透射下来的光向上反射回光栅结构中,进而提高耦合效率㊂实验通过聚焦离子束(f o c u s e d i o nb e a m ,F I B )
工艺制作了经过仿真优化后的光栅耦合器,并对其进行了测试㊂实验测得,未加底部金属反射镜的光栅耦合器的最大耦合效率为-9.1d B ,加底部金属反射镜的光栅耦合器的最大耦合效率为-6.9d B ㊂
2021年上海交通大学的Y a n g 课题组基于600n m 厚的x -c u t 薄膜L N O I 材料设计了1种均匀光栅耦合器[18
]㊂并进行了制造和测试,器件结构如图3所示㊂该光栅耦合器结构易于制作,与C MO S 工
艺兼容,并且可以通过电子束光刻(e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y
,E B L )工艺一步完成定义,然后通过干法刻蚀完成制作㊂实验结果表明,L N O I 光栅耦合器在1543n m 波长下具有-6.3d B 的峰值耦合效率,在1550n m 的通信波长下具有-6.7d B 的高耦合性能,且具有超过90n m 的3-d B 耦合带宽㊂
(a
)俯视(b
)横截面(c
)光栅结构局部放大图3 L N O I 光栅耦合器结构
F i g .3 S t r u c t u r eo f L N O I g r a t i n g c o u p
l e r 耦合带宽(通常以耦合效率的1-d B 点或3-d B 点为标准)
是光栅耦合器除了耦合效率以外最重要的性能指标之一,然而基于S O I 材料的光栅耦合器受材料限制,其耦合带宽相对较低㊂减小光栅的等效折射率可以有效地增加光栅耦合器1-d B 点耦合带宽㊂氮化硅材料,不仅具有与硅基材料相同的的
C MO S 工艺兼容性㊁低成本与较好的集成度,而且还能以较低的等效折射率实现最佳的光栅耦合性能㊂此外,由于氮化硅与二氧化硅的折射率对比度较低,可以降低光子器件对表面粗糙度的敏感性,在制造过程中就具有更高的尺寸容差㊂因此,基于绝缘体上氮化硅材料的光栅耦合器有望实现更好的相位对准容差,更低的插入损耗以及更好的热稳定性,在P I C 耦合问题的解决上具有潜在的应用
价值[
19]
㊂1
13第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
图4 S i N 均匀光栅耦合器截面
F i g .4 C r o s s s e c t i o no f S i Nu n i f o r m g r a t i n g c o u p
l e r 2019年印度科学院纳米科学与工程中心的N a m b i a r 研究小组设计并实验验证了具有
底部分布式布拉格反射镜的高耦合效率S N O I 光栅耦合器[20]
㊂器件结构如图4所示,在埋
氧层中具有2个分布式布拉格反射镜,用来降低向基底泄露的光能量,器件采用等离子体增强化学气相沉积工艺制作㊂在具有不同氮化硅厚度(400n m 和500n m )的2个平台上设计了光栅耦合器㊂在500n m 氮化硅平台上,所设计的光栅耦合器在1573n m 波长处的峰值
耦合效率为-2.29d B ,1-d B 耦合带宽为49n m ㊂在400n m 氮化硅平台上,
所设计的光栅耦合器在1576n m 波长处的峰值耦合效率为-2.58d B ,1-d B 耦合带宽为52n m ㊂同年,
该团队在这一设计的基础上,采用啁啾生成算法优化光栅的结构[21]
,进一步提高了耦合性能,实验测得在500n m 氮化硅平台上,优化后的耦合器在1571n m 波长处的峰值耦合效率提高到-1.17d B ,1-d B 耦合带宽为40n m ㊂在
400n m 厚的氮化硅平台上,所设计的光栅在1572n m 波长处的耦合效率提高到-1.24d B ,1-d B 耦合
带宽为39n m ㊂图5 均匀光栅上方加入S i 3N 4层的光栅耦合器结构
F i g .5 S c h e m a t i cd i a g r a mo f g r a t i n g c o u p
l e r s t r u c t u r e w i t hS i 3N 4l a y e r o n t o p o f u n i f o r m g r a t i n g 2020年长安大学的Z h a n g 团队设计了1
种可以实现完全垂直耦合的光栅耦合器[22]
㊂如图5所示,通过在均匀光栅上方加入1个
S i 3N 4层,
可以有效减少光的向上反射,提高耦合效率㊂在设计过程中,通过遗传算法对光栅和S i 3N 4层的结构参数进行优化㊂加入S i 3N 4层后,测得的耦合效率从57.5%(-2.5d B )提高到68.5%(-1.65d B ),上反射从17.6%
(-7.5d B )降低至7.4%(-11.3d B )㊂在此基础上,通过再加入1个底部金属反射镜,可以进一步提高耦合效率,实验测得加入底部金属反射镜后,平均耦合效率提高到了87%(-0.6d B ),最高可达89.4%(-0.49d B ),且具有较大的耦合带宽,测得其1-d B 耦合带宽为64n m ,3-d B 耦合带宽为
96n m ㊂该光栅耦合器的最小特征尺寸为226n m ,
结构简单可以通过D U V 光刻来制作,可应用于波分复用(w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ,WD M )应用的光接口和低成本的硅光器件光纤封装㊂为了提高光栅耦合器的耦合效率与工作带宽,表1总结了近年来相关科研工作者所设计的一些均
匀光栅耦合器的性能参数㊂从表1中可以看出,耦合器的材料平台主要有S O I ㊁S N O I ㊁L N O I 等3种㊂优化方法有:通过各种算法对光栅的结构参数进行优化,加入底部反射器(S iG R ㊁D B R )或上部反射层;采用聚焦光栅结构或反锥度设计;采用双层光栅结构设计等㊂在1550n m 工作波长附近,对基于S O I 的均匀垂直光栅耦合器,大多采用优化其刻蚀深度㊁占空比㊁等结构参数来提高其耦合效率,这种方法在设计和制造工艺上都较为简单㊂此外便是加入上部反射层或底部反射器以及设计成聚焦光栅等方法,
其中文献[22]通过在光栅上部合适位置加入1个S i 3N 4材料的反射层降低向上反射并加入底部金属反射镜后所获得的-0.6d B 的耦合效率㊁64n m 的1-d B 耦合带宽和96n m 的3-d B 耦合带宽是其中耦合效果相对最佳的㊂对基于S N O I 的均匀垂直光栅耦合器,除了采用优化结构参数与加入反射器等方法外,设计人员还提出了双层光栅耦合结构,通过增加光栅耦合器设计的自由度,从而达到提高耦合效率和增大耦合带宽的效果㊂文献[28
]报道的双层光栅耦合器在不加入其他结构时,理论上耦合效率能达到-2.28d B ,1-d B 耦合带宽可达57.7n m ,耦合效果相对最好㊂文献[2930]
报道的双层耦合器则在1.3μm 工作波长有较好的耦合效率与较大的耦合带宽㊂对基于L N O I 的均匀垂直光栅耦合器,由于研究较晚,目前大多采用优化结构参数与加入反射镜来提高耦合效率,文献[31]报道的L N O I 耦合器同时具有-2.97d B 的耦合效率与58n m 的1-d B 耦合带宽,与其他L N O I 均匀光栅耦合器相比是最好的
1个㊂
213沈阳大学学报(自然科学版) 第35卷
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表1 均匀光栅耦合器性能参数
T a b l e1 P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r 文献年份材料平台工作波长n m
耦合效率d B
1-d B 耦合带宽n m 3-d B 耦合带宽
n m 优 化 方 法
[15
]2018S O I 1550[22]2020
S O I
1550[16]2019S O I /S i 3N 41582[23]2017S O I
1550[24]2015S N O I 1550[20]2019S N O I 1573[25
]2016
S N O I 1550[2627]2017
S N O I 1567[28]2018S N O I 1550[2930]2018S N O I 1306[31]2020L N O I 1550[17]2017L N O I 1550[18]2021L N O I 1550[32]2020L N O I 1550[33
]2018
L N O I 1550 -3.60-0.60T E :-3.87
TM :-4.84
-2.49-1.47-2.29-3.70-3.60-2.28-2.20-2.97-6.90-6.70-5.82-3.06 48优化结构参数
64.0
96上方反射层,底部金属反射镜 4947双光栅
自聚焦光栅
70.0 S iG R 49.0 D B R
54.0 聚焦光栅和逆锥度
70.0 S i 3N 4-o n -S O I 57.7 S i 3N 4双层光栅
72.9 S i 3N 4-S i 双层光栅58.0
金属光栅
D B R
90结构参数优化 57反锥度设计55.0
单晶硅光栅
2 非均匀光栅耦合器
为了打破均匀光栅对称结构的限制,进一步提高耦合效率,科研工作者基于均匀光栅设计出了许多性能优异,相较于均匀光栅具有更高耦合效率和更大耦合带宽的非均匀光栅耦合器㊂与均匀光栅耦合器相同,非均匀光栅耦合器目前大多数也都是基于S O I ㊁S N O I ㊁以及L N O I 材料的㊂
2017年,加拿大麦吉尔大学的W a n g 团队报道了2种应用于O 波段的单蚀刻亚波长光栅耦合器
(s u b -w a v e l e n g t h g r a t i n g c o u p l e r ,S WG C )[34
],1种针对高耦合效率,另1种针对大工作带宽,器件结构如图6所示㊂设计的器件属于1维亚波长光栅(s u b -w a v e l e n g t h g r a t i n g ,S WG ),结构较为简单,只需要1个刻蚀步骤即可完成,可以使用电子束光刻技术制造㊂测试结果显示高效S WG C 的实测峰值耦合效率为-3.8d B ,3-d B 带宽为40n m ,大宽带S WG C 的实测峰值耦合效率为-4.3d B ,3-d B 耦合带宽为71n m ㊂通过在埋氧层和硅衬底的界面处放置1个金属层来模拟带有底部反射镜的S WG C ,此时高效S WG C 和大宽带S WG C 的耦合效率可分别提高到-1d B 和-1.3d B ;3-d B 耦合带宽也可分别提高到46n m 和86n m ㊂此外,设计的S WG C 使用了聚焦光栅以减少设计尺寸,制成的S WG C 的尺寸小于
45μmˑ24μm ,较小的尺寸便于集成,且S WG C 在1260n m 至1360n m 的波长范围内的背反射被抑制为低于-15d B
㊂
(a )高效O 波段S WG C (b )大宽带O 波段S WG C
图6 高效O 波段S W G C 和大宽带O 波段S W G C 的横截面
F i g .6 S c h e m a t i c c r o s s -s e c t i o no f h i g h -e f f i c i e n c y O -b a n dS W
G Ca n d l a r g
e -b r o a d b a n dO -b a n dS W G C 2019年日本九州大学的H o n g 和武汉理工大学的Q
i u 团队从理论上和实验证明了1种具有多层3
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图7 切趾S i N x 波导光栅耦合器结构
F i g .7 S t r u c t u r ed i a g r a mo f a p
o d i z e dS i N x w a v e g u i d e g r a t i n g c o u p
l e r 底部反射器的高效切趾氮化硅波导光栅耦合
器[35
],器件结构如图7所示㊂他们提出了1种
基于S N O I 材料的光栅耦合器,具有超高效率和简单的制造工艺,不使用底部分布式布拉格反射器或金属反射器,而是使用具有相当反射率的底部硅光栅反射器(S iG R )来提高耦合效率㊂完全蚀刻的S iG R 是基于工业标准的绝缘体上硅(S O I
)晶圆设计㊂通过适当调整S iG R 的沟槽宽度和周期长度,可以获得超过90%的高反射率㊂光栅耦合器和底部S iG R 之间有适当的距离,通过对光栅做切趾处理后,耦合器峰值耦合效率可达-1.75d B ,3-d B 耦合带宽为76.34n m ,他们还研究了具体的制造工艺和公差,与D B R 相比,底部S iG R 可以通过单步图案化和蚀刻轻松制造,
简化了制造工艺㊂光栅耦合器的背反射对耦合效率的影响也很大㊂背反射主要来源于2个方面:光栅耦合器的2阶
反射和输入波导与光栅耦合器的边缘产生的菲涅耳反射㊂对于2阶反射,可以利用在光纤与光电子集成电路表面设置大约10ʎ
的倾斜耦合角度来抑制,但在实际应用过程中受到了一定限制,而且封装也比较困难[36]㊂而二元闪耀光栅[3738]
对于消除2阶反射来说是1个较好的选择,闪耀光栅可以将所有衍射
光 闪耀 成单个衍射级,抑制第2级和高级次衍射,并可提高光栅的效率和方向性㊂其他类型的闪耀光栅,例如三角光栅和平行四边形光栅,不能用标准刻蚀工艺制造㊂二元闪耀光栅由均匀高度的可变子波长柱组成,它是闪耀光栅的三角形齿形的2进制形式,并且可以在1个刻蚀步骤中制造㊂2018年美国斯坦福大学的S u 团队提出了1种基于梯度算法的1维光栅耦合器的设计与优化方法,并基于此方法设计了1种闪耀光栅耦合器[39]
㊂其结构如图8所示,光栅闪耀角为50ʎ
,它只需要1次蚀刻就可以完成,而且没有背反射镜㊂实验测得其插入耦合损耗小于0.2d B ,1-d B 耦合带宽为26n m ㊂图8 闪耀光栅耦合器结构
F i g .8 S t r u c t u r ed i a g r a mo f b l a z e d g r a t i n g c o u p
l e r 2021年,上海交通大学的X u 课题组提出
了1种基于绝缘体上硅(S O I )平台上的高性能二元闪耀光栅耦合器(b i n a r y b l a z e d g r a t i n g
c o u p
l e r ,B B G C )[40
],以实现完美的垂直耦合,器件结构如图9所示㊂利用粒子群算法优化
了光栅周期㊁子光栅填充因子㊁蚀刻深度㊁埋氧层厚度等关键参数,并通过实验证明了在1550n m 波长时设计的B B G C 的耦合效率为-3.69d B ,3-d B 耦合带宽约为70n m ㊂该B B G C 结构的最大长宽比约为
1.35,与以前报道的B B G C 相比,它更容易制造㊂B B G C 在S O I 平台上的实现简单㊁
可重复,并与标准的C MO S 工艺兼容㊂
图9 二元闪耀光栅耦合器结构
F i g .9 S c h e m a t i cd i a g r a mo f b i n a r y b l a z e d g r a t i n g c o u p
l e r s t r u c t u r e 图10 L 形光栅耦合器结构
F i g .10 S c h e m a t i cd i a g r a mo f L -s h a p e d g r a t i n g c o u p
l e r s t r u c t u r e 2017年法国巴黎萨克雷大学的B e n e d i k o v i c 课题组设计了1种具有低反射和高方向性的用于光纤
与芯片耦合的L 形光栅耦合器[
41]
㊂器件通过使用193n m 深紫外光刻制造,其结构原理图如图10所示,L 形结构由1个深刻蚀和1个浅刻蚀工艺完成㊂另外通过加入
1个亚波长光栅作为波导与耦合光栅之间
的过渡区,可以将耦合光栅的反射率降至1%(-20d B )㊂实验测得工作在1560n m
波长下的耦合效率为-2.7d B (54%),3-d B 耦合带宽为62n m ㊂
413沈阳大学学报(自然科学版) 第35卷
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图11 高效光栅耦合器结构
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g r a t i n g c o u p
l e r 同年,W a t a n a b e 课题组采用2步刻蚀技
术,在220n m 厚的标准S O I 晶片上成功地制
作出可以实现完全垂直耦合的高效光栅耦合
器[42
],其结构如图11所示,具有防背反射结
构和闪耀光栅结构㊂对其做切趾处理后,通过模拟和实验测试证明所设计的光栅结构有效地抑制了背反射,提高了耦合效率㊂在
1533n m 波长条件下的耦合效率为-1.5d B ,3-d B 耦合带宽为49n m ㊂此外,他们所设计的光栅耦合器与标准的硅光子学技术兼容,易于制造,并且由于可以实现完全垂直,可以作为空分复用(s p a c e d i v i s i o nm u l t i p
l e x ,S D M )的输入/输出器件,提高硅光子学芯片集成密度,同时可大大降低封装难度,更有利于封装与片上测试
㊂图12 双刻蚀光栅耦合器横截面
F i g
.12 C r o s s s e c t i o n a l v i e wo f t h ed o u b l e e t c h i n gg r a t i n g c o u p
l e r 2017年,英国南安普顿大学的C h e n 课题组设计了1种可以在1310n m 波长附近实现
高效耦合的双刻蚀光栅耦合器[43]
,器件结构
如图12所示㊂为了提高耦合器的方向性,他们使用基于70和190n m 沟槽交错蚀刻的方法将方向性提高到了0.95㊂通过使用亚波长结构并对光栅进行了切趾处理,增加了与光纤的模式匹配,减少了对波导的背反射,进一步提高了耦合效率㊂实验测得,采用I C P 刻蚀工艺制作的光栅耦合器的峰值耦合效率为
-1.9d B ,1-d B 耦合带宽为23n m ㊂
2020年,山东青年政治学院的陈志华团队在L N O I 平台上设计了1种具有啁啾和切趾结构的光栅
图13 L N O I 平台上的啁啾和切趾光栅耦合器结构
F i g .13 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec h i r p e da n da p
o d i z e d g r a t i n g c o u p l e r o nL N O I p
l a t f o r m 耦合器[44],器件结构如图13所示㊂仿真得到
的耦合效率为-1.8d B ,3-d B 耦合带宽为
90n m ,
加入底部金属反射镜后,耦合效率可提高到-0.8d B ,他们采用F I B 技术制做了所设计的耦合器,实验测得耦合效率为-6.9d B ,3-d B 耦合带宽为82n m ,带有底部金属反射镜的为-5.5d B ㊂他们仿真与实验测得结果的差异主要是加工精度造成的,如果可以更精确地控制制造精度,设计具有啁啾和切趾结构的光栅耦合器可成为单模光纤和L N O I 器件之间耦合的良好解决方案㊂
表2总结了近年来报道的部分非均匀光栅耦合器的相关性能参数㊂对比表1与表2的数据可以看
出,对于相同材料的光栅耦合器,采用非均匀的光栅结构耦合效率更高,带宽也更大㊂所采用的非均匀结构有闪耀光栅结构㊁二元闪耀光栅结构㊁切趾光栅结构㊁啁啾光栅结构㊁L 形或阶梯形结构以及基于等效折射率的亚波长结构等㊂这些非均的结构打破对称结构限制,可以使光更多地衍射到入射平面的一侧,从而大大提高衍射效率㊂同时,对于非均匀光栅耦合器也可以采用加入底部反射器(S iG R ㊁D B R )
来进一步提高耦合效率㊂对于S O I 非均匀光栅耦合器,文献[39]采用闪耀光栅设计得到的-0.2d B 的耦合效率是其中最高的,但是其耦合带宽较小,文献[45]采用分段式光栅耦合器则是其中耦合带宽最大的,3-d B 耦合带宽达71.4n m ㊂此外,采用S WG 设计的S O I 光栅耦合器,设计的自由度更高且耦合效率较高,耦合带宽也不低㊂对于S N O I 非均匀光栅耦合器,文献[35]通过在氧化层中加入S i G R 降低光波向硅基底的泄露并对光栅做切趾处理得到的76.34n m 的3-d B 耦合带宽是其中最高的,并且具有-1.75d B 的较好的耦合效率㊂对于L N O I 非均匀光栅耦合器的报道不多,其中文献[44
]报道的采用啁5
13第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
啾和切趾结构的光栅耦合器在加入底部金属反射镜后具有-0.8d B的耦合效率与90n m的3-d B耦合带宽,是其中的最佳值,这种光栅耦合器结构与文献[46]报道的结构类似,可以使光栅与光纤的模场更加匹配,有效提高耦合效率㊂
表2非均匀光栅耦合器性能参数
T a b l e2P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f n o n-u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r
文献年份材料
平台
工作波长
n m
耦合效率
d B
1-d B耦合带宽
n m
3-d B耦合带宽
n m耦合效率提高方法
[45]2018S O I1550-2.86 71.40分段式
[42]2017S O I1533-1.50 49.00闪耀光栅[41]2017S O I1560-2.70 62.00L形结构[40]2021S O I1550-3.69 70.00B B G C
[39]2018S O I1550-0.2026 闪耀光栅[20]2019S N O I15711.1740 啁啾光栅㊁D B R [2627]2017S N O I1567-2.5065 双层切趾光栅[46]2018S N O I1550-0.99 啁啾切趾光栅[35]2019S N O I1550-1.75 76.34切趾光栅㊁S iG R [4748]2017/2016S N O I1550-1.30 60.00切趾㊁阶梯结构光栅[49]2019S O I1550-0.2529~4054.00~68.00S WG
[43]2017S O I1310-1.9023 双刻蚀
[34]2017S O I1550-1.00/-1.30 46.00/86.00S WG
[50]2020S O I1549-0.5039 D B R㊁非周期光栅[44]2020L N O I1550-0.80 90.00啁啾切趾光栅
[51]2021L N O I1550-3.72 35.00切趾光栅
[52]2019L N O I1550-3.60 48.00啁啾光栅
3结论
光栅耦合器作为光耦合结构的1种,具有制作工艺与传统微电子C MO S工艺兼容㊁工艺容差大㊁易于对准㊁易于集成㊁在光芯片平面内的任意位置都可以实现光的输入或输出㊁可以灵活布置I/O端口位置㊁可以进行片上测试并且不需要划片与端面抛光等优点,是目前作为光纤与芯片波导耦合最常用与最有竞争力的耦合方式㊂但是单纯的均匀结构光栅耦合器的耦合效率并不太高,最大仅为50%,且耦合带宽较小;因此,研究新的结构减少光的向后反射㊁向上反射和向基层的泄漏以及二阶衍射的影响,实现更高耦合效率和更大耦合带宽仍是目前需要解决的问题㊂
本文针对硅基垂直光栅耦合器,总结了近年来国内外的一些研究成果㊂对均匀和非均匀2类不同结构的光栅耦合器进行了分析总结,列举了近年来所报道的对于光栅耦合器的一些研究进展,总结了其提高耦合器耦合带宽和耦合效率所用的方法㊂近年来国内外对基于S O I㊁S N O I和L N O I平台的光栅耦合器的研究表明,对于均匀光栅耦合器,通过加入底部反射镜㊁上部覆盖层,以及采用聚焦光栅和双层光栅的设计可以有效提高其耦合效率和耦合带宽;对于非均匀光栅耦合器,可采用非均匀的结构设计,例如切趾光栅㊁啁啾光栅㊁闪耀光栅㊁二元闪耀光栅和亚波长光栅(S WG)等结构,同时也可以在此基础上采用加入底部反射镜㊁上部覆盖层,以及采用聚焦光栅和双层光栅设计等方法进一步提高其耦合效率和耦合带宽㊂这些研究为未来继续发展高耦合效率㊁大耦合带宽的垂直光栅耦合提供了思路,随着研究的更加深入以及制作工艺的更加成熟完善,将会有更多性能优良,制作简单的光栅耦合器被报道并得到实际产品化应用㊂
参考文献:
[1]D A YI,E V A N SI,K N I G H T S A,e ta l.T a p e r e ds i l i c o n w a v e g u i d e s f o r l o wi n s e r t i o nl o s sh i g h l y-e f f i c i e n th i g h-s p e e de l e c t r o n i c
v a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o r s[C]ʊO F C2003O p t i c a l F i b e rC o mm u n i c a t i o n sC o n f e r e n c e.M a r c h28-28,2003,A t l a n t a,G A,U S A.
I E E E,2004(1):249251.
[2]S U R E A,D I L L O N T,MU R A K OW S K I J,e t a l.F a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f t h r e e-d i m e n s i o n a l s i l i c o nt a p e r s[J].O p t i c s 613沈阳大学学报(自然科学版)第35卷
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