硅基垂直光栅耦合器的研究进展.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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。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 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 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 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 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%(-2.5d 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 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。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2 2 通过在光栅上部合适位置加入1个S i3N4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、6 4n m的1-d B耦合带宽和9 6n m的3-d B耦合带宽是其中耦合效果相对最佳的。对基于S NO 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。文献2 8 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-2.2 8d B,1-d B耦合带宽可达5 7.7n m,耦合效果相对最好。文献2 9 3 0 报道的双层耦合器则在1.3m工作波长有较好的耦合效率与较大的耦合带宽。对基于L NO 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3 1 报道的L NO I耦合器同时具有-2.9 7d B的耦合效率与5 8n m的1-d B耦合带宽,与其他L NO I均匀光栅耦合器相比是最好的1个。213沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷表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 ep a r a m e t e r so f u n i f o r mg r a t i n gc 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 B1-d B耦合带宽n m3-d B耦合带宽n m优 化 方 法1 52 0 1 8S O I15 5 02 22 0 2 0S O I15 5 01 62 0 1 9 S O I/S i3N415 8 22 32 0 1 7S O I15 5 02 42 0 1 5S NO I15 5 02 02 0 1 9S NO I15 7 32 52 0 1 6S NO I15 5 02 6 2 72 0 1 7S NO I15 6 72 82 0 1 8S NO I15 5 02 9 3 02 0 1 8S NO I13 0 63 12 0 2 0L NO I15 5 01 72 0 1 7L NO I15 5 01 82 0 2 1L NO I15 5 03 22 0 2 0L NO I15 5 03 32 0 1 8L NO I15 5 0-3.6 0-0.6 0T E:-3.8 7TM:-4.8 4-2.4 9-1.4 7-2.2 9-3.7 0-3.6 0-2.2 8-2.2 0-2.9 7-6.9 0-6.7 0-5.8 2-3.0 64 8优化结构参数6 4.09 6上方反射层,底部金属反射镜4 94 7双光栅自聚焦光栅7 0.0S iG R4 9.0D B R5 4.0聚焦光栅和逆锥度7 0.0S i3N4-o n-S O I5 7.7S i3N4双层光栅7 2.9S i3N4-S i双层光栅5 8.0金属光栅D B R9 0结构参数优化5 7反锥度设计5 5.0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。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、S NO I、以及L NO I材料的。2 0 1 7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 hg r a t i n gc o u p l e r,SWG C)3 4,1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。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 hg r a t i n g,SWG),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。测试结果显示高效SWG C的实测峰值耦合效率为-3.8d B,3-d B带宽为4 0n m,大宽带SWG C的实测峰值耦合效率为-4.3d B,3-d B耦合带宽为7 1n m。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SWG C,此时高效SWG C和大宽带SWG 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4 6n m和8 6n m。此外,设计的SWG C使用了聚焦光栅以减少设计尺寸,制成的SWG C的尺寸小于4 5m2 4m,较小的尺寸便于集成,且SWG C在12 6 0n m至13 6 0n m的波长范围内的背反射被抑制为低于-1 5d B。(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 WG C和大宽带O波段S WG C的横截面F i g.6 S c h e m a t i cc 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 yO-b a n dS WG Ca n d l a r g e-b r o a d b a n dO-b a n dS WG C2 0 1 9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313第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展图7 切趾S i Nx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 Nxw a v e g u i d eg r a t i n gc 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3 5,器件结构如图7所示。他们提出了1种基于S NO 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。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。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9 0%的高反射率。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-1.7 5d B,3-d B耦合带宽为7 6.3 4n 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。光栅耦合器的背反射对耦合效率的影响也很大。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。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1 0 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3 6。而二元闪耀光栅3 73 8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。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。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。2 0 1 8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3 9。其结构如图8所示,光栅闪耀角为5 0,它只需要1次蚀刻就可以完成,而且没有背反射镜。实验测得其插入耦合损耗小于0.2d B,1-d B耦合带宽为2 6n m。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 dg r a t i n gc o u p l e r2 0 2 1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 yb l a z e dg r a t i n gc o u p l e r,B B G C)4 0,以实现完美的垂直耦合,器件结构如图9所示。利用粒子群算法优化了光栅周期、子光栅填充因子、蚀刻深度、埋氧层厚度等关键参数,并通过实验证明了在15 5 0n m波长时设计的B B G C的耦合效率为-3.6 9 d B,3-d B耦合带宽约为7 0n m。该B B G C结构的最大长宽比约为1.3 5,与以前报道的B B G C相比,它更容易制造。B B G C在S O I平台上的实现简单、可重复,并与标准的CMO S工艺兼容。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 yb l a z e dg r a t i n gc o u p l e r s t r u c t u r e图1 0 L形光栅耦合器结构F i g.1 0 S c h e m a t i cd i a g r a mo f L-s h a p e dg r a t i n gc o u p l e r s t r u c t u r e2 0 1 7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4 1。器件通过使用1 9 3n m深紫外光刻制造,其结构原理图如图1 0所示,L形结构由1个深刻蚀和1个浅刻蚀工艺完成。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%(-2 0d B)。实验测得工作在15 6 0n m波长下的耦合效率为-2.7 d B(5 4%),3-d B耦合带宽为6 2n m。413沈阳大学学报(自然科学版)第3 5卷图1 1 高效光栅耦合器结构F i g.1 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh i g h-e f f i c i e n c yg r a t i n gc 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2 2 0n 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4 2,其结构如图1 1所示,具有防背反射结构和闪耀光栅结构。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。在15 3 3n m波长条件下的耦合效率为-1.5d B,3-d B耦合带宽为4 9n m。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 ed i v i s i o nm u l t i p l e x,S DM)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。图1 2 双刻蚀光栅耦合器横截面F i g.1 2 C r o s ss e c t i o n a l v i e wo f t h ed o u b l ee t c h i n gg r a t i n gc o u p l e r2 0 1 7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13 1 0n m波长附近实现高效耦合的双刻蚀光栅耦合器4 3,器件结构如图1 2所示。为了提高耦合器的方向性,他们使用基于7 0和1 9 0n m沟槽交错蚀刻的方法将方向性提高到了0.9 5。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。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2 3n m。2 0 2 0年,山东青年政治学院的陈志华团队在L NO I平台上设计了1种具有啁啾和切趾结构的光栅图1 3 L N O I平台上的啁啾和切趾光栅耦合器结构F i g.1 3 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 dg r a t i n gc o u p l e ro nL N O I p l a t f o r m耦合器4 4,器件结构如图1 3所示。仿真得到的耦合 效 率 为-1.8d B,3-d B耦 合 带 宽 为9 0n 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8 2n m,带有底部金属反射镜的为-5.5d B。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 NO I器件之间耦合的良好解决方案。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。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。所采用的非均匀结构有闪耀光栅结构、二元闪耀光栅结构、切趾光栅结构、啁啾光栅结构、L形或阶梯形结构以及基于等效折射率的亚波长结构等。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。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、D B R)来进一步提高耦合效率。对于S O I非均匀光栅耦合器,文献3 9 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4 5 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7 1.4n m。此外,采用SWG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。对于S NO I非均匀光栅耦合器,文献3 5 通过在氧化层中加入S iG R降低光波向硅基底的泄露并对光栅做切趾处理得到的7 6.3 4n m的3-d B耦合带宽是其中最高的,并且具有-1.7 5d B的较好的耦合效率。对于L NO I非均匀光栅耦合器的报道不多,其中文献4 4 报道的采用啁513第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展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9 0n 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4 6 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。表2 非均匀光栅耦合器性能参数T a b l e2 P e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f n o n-u n i f o r mg r a t i n gc 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 B1-d B耦合带宽n m3-d B耦合带宽n m耦合效率提高方法4 52 0 1 8S O I15 5 0-2.8 67 1.4 0分段式4 22 0 1 7S O I15 3 3-1.5 04 9.0 0闪耀光栅4 12 0 1 7S O I15 6 0-2.7 06 2.0 0L形结构4 02 0 2 1S O I15 5 0-3.6 97 0.0 0B B G C3 92 0 1 8S O I15 5 0-0.2 02 6闪耀光栅2 02 0 1 9S NO I15 7 1 1.1 74 0啁啾光栅、D B R2 6 2 72 0 1 7S NO I15 6 7-2.5 06 5双层切趾光栅4 62 0 1 8S NO I15 5 0-0.9 9啁啾切趾光栅3 52 0 1 9S NO I15 5 0-1.7 57 6.3 4切趾光栅、S iG R4 7 4 82 0 1 7/2 0 1 6 S NO I15 5 0-1.3 06 0.0 0切趾、阶梯结构光栅4 92 0 1 9S O I15 5 0-0.2 52 94 05 4.0 06 8.0 0S WG4 32 0 1 7S O I13 1 0-1.9 02 3双刻蚀3 42 0 1 7S O I15 5 0-1.0 0/-1.3 04 6.0 0/8 6.0 0S WG5 02 0 2 0S O I15 4 9-0.5 03 9D B R、非周期光栅4 42 0 2 0L NO I15 5 0-0.8 09 0.0 0啁啾切趾光栅5 12 0 2 1L NO I15 5 0-3.7 23 5.0 0切趾光栅5 22 0 1 9L NO I15 5 0-3.6 04 8.0 0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CMO S工艺兼容、工艺容差大、易于对准、易于集成、在光芯片平面内的任意位置都可以实现光的输入或输出、可以灵活布置I/O端口位置、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。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5 0%,且耦合带宽较小;因此,研究新的结构减少光的向后反射、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。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。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。近年来国内外对基于S O I、S NO I和L NO 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、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、啁啾光栅、闪