硅基垂直光栅耦合器的研究进展.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2 0 9 2 3基金项目:国家重点研发计划项目(2 0 1 8 Y F B 2 2 0 0 5 0 0);国家自然科学基金资助项目(6 1 2 0 4 0 8 0);国家重点实验室基金资助项目(S K L 2 0 1 8 0 4);陕 西 省 重 点 研 发 计 划 项 目(2 0 2 2 G Y-0 1 2);西 安 市 科 技 计 划 项 目(2 0 2 0 K J R C 0 0 2 6)。作者简介:刘 勇(1 9 9 9),男,陕西安康人,硕士研究生。通讯作者:冯 松(1 9 8 2),男,江苏扬州人,教授,博士。E-m a i l:f e n g s o n
2、g x p u.e d u.c n。第3 5卷第4期2 0 2 3年 8月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fS h e n y a n gU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e)V o l.3 5,N o.4A u g.2023文章编号:2 0 9 5-5 4 5 6(2 0 2 3)0 4-0 3 0 9-1 0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 7 1 0 0 4 8)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
3、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、更大耦合带宽的垂直光栅耦合器提供思路与参考。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 2 5 6 文献标志码:AR e s e a r c hP r o g r e s so fS i l i c o n-B a s e dV e r t i c a lG r a t i n gC o u p l e r sL I U Y o n g,F ENG S o n g,WANG D i,CHEN M e n g l i n,HU X i a n g j i a
4、n,F ENGL u l u(S c h o o l o fS 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 n7 1 0 0 4 8,C h i n a)A b s t r a c t:T h e 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 l g r a t i n gc o u p l e r s a t h o m e a n da b r o a dw a ss u mm a r i z e d,t
5、h er e s e a r c hs t a t u so fu n i f o r mg r a t i n gc o u p l e r sa n dn o n-u n i f o r mg r a t i n gc o u p l e r sw a sd i s c u s s e d,a n dt h ep e r f o r m a n c ep 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 ec o m p a r e da n da n a l y z e d,w h i c hp r o v i d e di d
6、 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 lg r a t i n gc o u p l e r sw i t hh i g h e rc o u p l i n ge f f i c i e n c ya n d l a r g e rc o u p l i n gb a n d w i d t h.K e yw o r d s:p h o t o n i cd e v i c e s;o p t i c a lw a v e g u i d e;s i l
7、 i c o ns u b s t r a t e;g r a t i n gc o u p l e r;v e r t i c a lc 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、低成本耦合是亟待解决的问题。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1m,而单模光纤的模斑尺寸通常为81 0m,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。为了降低光纤与光芯片波导之间的模式失
8、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、透镜耦合器4、棱镜耦合器5和光栅耦合器61 0等。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、相互促进。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1 1。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。而光栅耦合器制作工艺简单、工艺容差大、易对准、对准容差大、易
9、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,无需划片与端面抛光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、低成本耦合的1个重要解决方案。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。1 9 7 0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1 2。随着相关理论和加工技术不断发展,从
10、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、不同材料的光栅耦合器。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5 0%的耦合效率,难以满足实际的应用需求。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1 3。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。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。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
11、t o r,S O I)、绝缘体上氮化硅(s i l i c o nn i t r i d eo n i n s u l a t o r,S NO I)和绝缘体上铌酸锂(l i t h i u mn i o b a t eo n i n s u l a t o r,L NO 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。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1 4,光栅的刻蚀深度、占空比、以及光栅的材料等因素对耦合效率有很大的影响。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
12、来提高它的耦合效率,例如:优化器件结构参数、增加后反射器、顶部增透膜、底部反射镜(d i s t r i b u t e db r a g gr e f l e c t o r,D B R)和光栅反射镜(g r a t i n gr e f l e c t o r,G R)等,有效地减少了反向耦合光、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。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。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、速度快、耐高温、热导率高、抗辐射、低压低功耗等优点,能够很好地和CMO S工艺兼容且成本低,是非常优
13、秀的材料,是目前硅光子主要的无源波导材料之一。2 0 1 8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2 2 0n 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 et i m ed o m a i n,F D T D)对光栅耦合器进行了模拟1 5。对影响光栅耦合效率的几个重要参数光栅周期、占空比、刻蚀深度进行了优化。优化后得到的最佳参数分别为:最佳周期为6 2 0n m;最佳占空比为5 0%;最佳刻蚀深度为8 0n m,其结构截面如图1所示;光栅耦合器的尺寸为1 5.5m1 0m。最后,采用干法刻蚀制作出了所设计
14、的器件并进行了测试,测试结果显示,在15 5 0n m波长下耦合效率为-3.6d B,3-d B耦合带宽为4 8n m。周期;ed刻蚀深度;n折射率。图1 优化后的光栅耦合器截面F i g.1 C r o s ss e c t i o no f t h eo p t i m i z e dg r a t i n gc o u p l e r2 0 1 9年日本仙台东北大学的Y u等1 6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。该耦合器结构的截面如图2所示,可工作于1.3m和1.5 5m波长。器件上层是1个周期长、刻蚀深度深的顶部光栅,这个光栅采用了S i3N4和S i O
15、22种折射率差较小材料来制作,以减小偏振和背反射的影响。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。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、刻蚀深度浅的第2光栅。2个光013沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷图2 双层光栅耦合器截面F i g.2 C r o s ss e c t i o no f d o u b l e l a y e rg r a t i n gc o u p l e r栅之间由1个高度为dg a p的S i O2间隙层隔开。它们 通 过2维 时 域 有 限 差 分 法(2d i m e n s i o n a l-f i
16、n i t ed i f f e r e n c e t i m ed o m a i n,2 D-F D T D)仿真计算了耦合效率和耦合带宽。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。优化后的结果显示,在15 8 2n m波长下T E0的双端口输出的耦合效率为4 1%,TM0的双端口输出的耦合效率为3 2.8 8%,在13 2 2n m波长下TM0的双端口的耦合效率输出为2 7.0 6%,测得的3-d B耦合带宽分别为4 9、4 7和3 4n m。铌酸锂(l i t h i u mn i o b a t e,L N)晶体是1种多功能铁电材料,被称为
17、光子学领域中的“硅”。它具有良好的声光、非线性光学、电光等特性。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。为了利用L NO I技术提供的优势,需要适用于光纤到L NO I平台耦合的光栅耦合器。2 0 1 7年山东大学的C h e n课题组基于z-c u t薄膜L NO 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1 7,并对其进行了表征。通过在基底层和氧化层之间加入1层1 0n 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。实验通过聚焦离子束(f o c u s e di o nb e a m,F I B)工艺制作
18、了经过仿真优化后的光栅耦合器,并对其进行了测试。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。2 0 2 1年上海交通大学的Y a n g课题组基于6 0 0n m厚的x-c u t薄膜L NO I材料设计了1种均匀光栅耦合器1 8。并进行了制造和测试,器件结构如图3所示。该光栅耦合器结构易于制作,与CMO 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。实验结果表明,L NO
19、I光栅耦合器在15 4 3n m波长下具有-6.3d B的峰值耦合效率,在15 5 0n m的通信波长下具有-6.7d B的高耦合性能,且具有超过9 0n m的3-d B耦合带宽。(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 gc 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。减小光栅的等效折射率可以有效地增加光栅耦
20、合器1-d B点耦合带宽。氮化硅材料,不仅具有与硅基材料相同的的CMO S工艺兼容性、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。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。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1 9。113第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展图4 S i N均匀光栅耦合器截面F i g.4 C r o s ss e c t i o no fS i Nu n
21、 i f o r mg r a t i n gc o u p l e r2 0 1 9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 NO I光栅耦合器2 0。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。在具有不同氮化硅厚度(4 0 0n m和5 0 0n m)的2个平台上设计了光栅耦合器。在5 0 0n m氮化硅平台上,所设计的光栅耦合器在15 7 3n m波长处的峰值耦合效率为-2.2 9d B,1-d B耦合带宽为4 9n m。在
22、4 0 0n m氮化硅平台上,所设计的光栅耦合器在15 7 6n m波长处的峰值耦合效率为-2.5 8d B,1-d B耦合带宽为5 2n m。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2 1,进一步提高了耦合性能,实验测得在5 0 0n m氮化硅平台上,优化后的耦合器在15 7 1n m波长处的峰值耦合效率提高到-1.1 7d B,1-d B耦合带宽为4 0n m。在4 0 0n m厚的氮化硅平台上,所设计的光栅在15 7 2n m波长处的耦合效率提高到-1.2 4d B,1-d B耦合带宽为3 9n m。图5 均匀光栅上方加入S i3N4层的光栅耦合器结构F i g.5
23、 S c h e m a t i cd i a g r a mo f g r a t i n gc o u p l e r s t r u c t u r ew i t hS i3N4l a y e ro n t o po f u n i f o r mg r a t i n g2 0 2 0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2 2。如图5所示,通过在均匀光栅上方加入1个S i3N4层,可以有效减少光的向上反射,提高耦合效率。在设计过程中,通过遗传算法对光栅和S i3N4层的结构参数进行优化。加入S i3N4层后,测得的耦合效率从5 7.5%(-2.5
24、d B)提高到6 8.5%(-1.6 5d B),上 反 射 从1 7.6%(-7.5d B)降低至7.4%(-1 1.3d B)。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8 7%(-0.6d B),最高可达8 9.4%(-0.4 9d B),且具有较大的耦合带宽,测得其1-d B耦合带宽为6 4n m,3-d B耦合带宽为9 6n m。该光栅耦合器的最小特征尺寸为2 2 6n m,结构简单可以通过DUV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
25、 p l e x i n g,WDM)应用的光接口和低成本的硅光器件光纤封装。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。从表1中可以看出,耦合器的材料平台主要有S O I、S NO I、L NO I等3种。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、D 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。在15 5 0n 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、占空比、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
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