張贊允 程 倩 劉宏偉 李鴻強

(1.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 西青 300387；2.天津工業(yè)大學(xué) 天津市光電檢測技術(shù)與系統(tǒng)重點實驗室，天津 西青 300387)

0 引言

隨著光子集成技術(shù)和片上光互連技術(shù)的發(fā)展，光互連的低功耗、高帶寬、免電磁干擾等優(yōu)勢日益顯現(xiàn)，為突破芯片內(nèi)電互連瓶頸和進一步提高芯片性能提供了有效的解決方案.硅基光電子工藝具有成熟廉價且與CMOS工藝相兼容的優(yōu)點，為硅基光電子器件的低成本制造和大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件.近十幾年來，硅基光電子技術(shù)發(fā)展迅速，研究重心逐步從分立器件走向大規(guī)模集成，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴展.目前，基于SOI襯底的硅基光電子平臺支持各種功能器件在晶圓級芯片上集成[1-4]，應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了數(shù)據(jù)通信[5]、光學(xué)傳感[6]、光學(xué)相控陣[7]、量子通信[8]、人工智能[9]等.

在片上光子器件集成中，硅基光柵耦合器作為硅基光波導(dǎo)與片外單模光纖的光耦合接口，因其對準容差能力強、可隨意放置、無需端面拋光以及晶圓級測試能力等優(yōu)點，在光耦合和光封裝領(lǐng)域占據(jù)著越來越重要的位置[10].然而遺憾的是，為了減小寄生的二次反射，傳統(tǒng)光柵耦合器通常并非完全垂直的光耦合器件，即光纖與芯片法線方向具有一定的耦合傾角.在器件實際應(yīng)用中，一定的光纖傾角無疑會帶來很多不便.首先這意味著測試過程中光纖的角度調(diào)諧不可避免，通常這個過程通常較為耗時；其次，要想實現(xiàn)光纖封裝，我們需要用到昂貴的角度拋光工藝，這會顯著增加封裝成本.因此，一個能夠?qū)崿F(xiàn)完全垂直耦合的高效率光柵耦合器[11-13]對于快速晶圓級測試和低成本光纖封裝十分有利.

另一方面，一維光柵耦合器是強烈偏振相關(guān)的器件，由于雙折射效應(yīng)，對于偏振態(tài)隨機變化的輸入光，一維光柵耦合器無法穩(wěn)定有效工作.為了實現(xiàn)偏振多樣性的光耦合，科學(xué)家們提出了二維光柵耦合器[14-16].它可以等效為兩個相互正交的一維光柵耦合器在平面內(nèi)的交疊，二維光柵耦合器可以同時實現(xiàn)偏振分束和偏振旋轉(zhuǎn)的功能，這使得二維光柵可以將任意一個偏振態(tài)的光偏振分解并耦合進入單模波導(dǎo)的類TE模.如此，相比一維光柵，二維光柵的總耦合效率對偏振態(tài)的依賴會明顯減弱.但是傳統(tǒng)二維光柵耦合器通常也需要設(shè)計為具有一定的耦合傾角以降低二次反射.這個傾角會使得P偏振光(電場平行于光柵對稱軸)和S偏振光(電場垂直于光柵對稱軸)的耦合光譜不一致，從而導(dǎo)致偏振相關(guān)損耗(PDL).為了降低二維光柵耦合的PDL，研究人員提出了很多技術(shù)方案，包括采用相移器補償結(jié)構(gòu)[17]、傾斜光柵陣列[18]、非對稱光柵刻蝕圖形[19]以及多層光柵耦合結(jié)構(gòu)[20]等.然而這些設(shè)計均是通過采用特殊結(jié)構(gòu)來補償傾斜耦合帶來的雙折射效應(yīng)，而非改變傾斜耦合方式為垂直耦合以實現(xiàn)偏振無關(guān)工作.

文中我們設(shè)計并驗證了一種基于二維光柵的完全垂直光柵耦合器，通過集成兩個MMI合束器并通過兩個光柵耦合器耦合輸出，同時我們對二維光柵的光耦合性能進行了測試表征.為了驗證器件具有類似于馬赫-曾德干涉儀的性質(zhì)，我們還設(shè)計了一個非等臂光學(xué)結(jié)構(gòu)的測試器件并測試了其歸一化光傳輸譜.測試結(jié)果顯示器件最高耦合效率可達40%，非等臂器件光傳輸譜呈現(xiàn)出較強的干涉波形，干涉譜消光比最高可達33 dB.這說明該二維光柵既可以實現(xiàn)完全垂直光耦合功能，也可以在光學(xué)濾波、電光調(diào)制等領(lǐng)域獲得應(yīng)用.

1 四通道二維光柵垂直耦合器仿真設(shè)計

圖1所示為我們提出的面向完全垂直耦合應(yīng)用的二維光柵耦合器，該器件由一個均勻二維光柵結(jié)構(gòu)和四個錐形模斑轉(zhuǎn)換器連接組成.該器件設(shè)計和實現(xiàn)均基于220 nm頂層硅厚度、2 μm埋氧層厚度的SOI晶圓.眾所周知，一個單模光纖可以攜帶兩個互相正交的線偏振光，由于實際光纖的非完美性，總的光場為橢圓偏振態(tài).當光纖攜帶著隨機偏振態(tài)的光垂直入射到該二維光柵耦合接口時，隨機偏振態(tài)的光首先會被偏振分束成兩個正交偏振態(tài)，隨后通過光耦合、偏振旋轉(zhuǎn)以及模斑轉(zhuǎn)換之后分別進入四個光波導(dǎo)通道以TE模進行單模傳輸.如圖1(b)所示，該二維光柵結(jié)構(gòu)是由一個圓形刻蝕孔的二維陣列組成，兩個方向上的光柵周期分別為Λx,Λy.為了確保光柵在兩個維度上具有對稱性，兩個周期被設(shè)計為相同值.為了實現(xiàn)高效率完全垂直耦合，我們基于光柵理論和數(shù)值仿真對光柵周期Λ、刻蝕深度d、刻蝕孔直徑D以及光柵周期數(shù)N等參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計.

1.1 光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計目標，我們要實現(xiàn)中心波長在1550 nm附近的完全垂直光耦合.首先，我們基于光柵耦合的布拉格條件，二維光柵周期應(yīng)該滿足

Λ=λ/Neffg,

(1)

其中Neffg為二維光柵區(qū)域的等效折射率，λ為光柵耦合中心處的真空波長.因為直接求解Neffg比較困難，我們通過光學(xué)仿真軟件Lumerical Mode solutions計算出12 μm寬波導(dǎo)的有效折射率約為2.78并作為設(shè)計參考.如果用這個計算結(jié)果來取代Neffg，我們計算出光柵周期應(yīng)為557 nm.考慮到光柵區(qū)域?qū)嶋H有效折射率應(yīng)小于計算值，那么實際的最佳光柵周期應(yīng)大于557 nm.

根據(jù)光柵耦合理論，光柵耦合效率CE可以表示為

CE=(1-ρ)·?！う?

(2)

其中(1-ρ)表示從波導(dǎo)注入到光柵區(qū)域的有效光功率(ρ為波導(dǎo)/光柵界面的光反射系數(shù))，Γ為光柵的方向性，定義為向上的光柵衍射功率與向上向下的衍射功率之和的比值，η為光柵衍射模場與單模光纖衍射場之間的模場匹配效率.光柵刻蝕深度、光柵刻蝕孔半徑、光柵周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅會改變光柵區(qū)域有效折射率從而造成耦合效率曲線紅移或者藍移之外，還會影響光柵方向性以及光柵耦合強度等，從而影響光柵耦合效率大小.鑒于此，為了在1550 nm附近實現(xiàn)最強光耦合，我們有必要對光柵結(jié)構(gòu)進行深度優(yōu)化.我們采用時域有限差分算法(FDTD)進行了一系列數(shù)值計算和參數(shù)掃描，在仿真中，我們采用兩個線性偏振態(tài)相互正交且相位差為π/2的高斯光源疊加以模擬實現(xiàn)一個圓偏振態(tài)的光纖入射光.為了模擬單模光纖的模斑直徑，將高斯光束的束腰半徑設(shè)置為5.2 μm.圖2(a)-(c)所示為我們仿真計算得到光柵刻蝕深度、光柵周期以及光柵刻蝕孔半徑變化對二維光柵的單通道光耦合效率的影響.在該仿真中，我們對其中一個參數(shù)進行掃描時設(shè)置其余兩個主要設(shè)計參數(shù)為固定值.通過計算結(jié)果，可以看出光柵耦合效率曲線會隨著三個參數(shù)的變化發(fā)生光譜紅移或者藍移，光譜移動是光柵區(qū)域有效折射率發(fā)生變化的結(jié)果.在均勻光柵中，刻蝕深度和刻蝕孔大小主要改變光柵的方向性Γ和光柵的耦合強度α，最終導(dǎo)致光柵耦合效率發(fā)生變化，雖然耦合效率峰值大小相差不大.因此，為了對光柵進行性能優(yōu)化，我們應(yīng)該將光柵在1550 nm波長處的光耦合效率作為優(yōu)化目標，通過多參數(shù)掃描得到最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合.為此，我們分別將刻蝕孔半徑和光柵周期以及刻蝕深度和光柵周期作為雙參數(shù)進行掃描并計算出不同參數(shù)組合下的1550 nm處的光柵耦合效率，計算結(jié)果如圖3(a) 和圖3(b) 所示.為了節(jié)省仿真時間，我們在參數(shù)掃描中采用了較低的網(wǎng)格精度.從熱圖中可以看到當光柵周期為565 nm、刻蝕孔半徑為220 nm以及刻蝕深度為90 nm時光柵耦合效率達到最高.為了與193 nm深紫外光刻工藝相兼容，我們對光柵優(yōu)化后的各參數(shù)最佳值進行了一定的折衷，最終將設(shè)計參數(shù)設(shè)置為光柵周期為570 nm、刻蝕孔半徑為210 nm以及刻蝕深度為80 nm.

1.2 光柵性能仿真

基于之前仿真優(yōu)化設(shè)定的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)，我們采用更高精度的FDTD仿真對光柵進行了性能驗證.圖4(a) 所示為我們計算得到的二維光柵耦合平面內(nèi)光場強度分布圖，可以看到在入射偏振態(tài)為圓偏振光時，二維光柵實現(xiàn)了光耦合和1×4光分束的功能.當光纖完美放置在光柵區(qū)域中心時，耦合進入四個通道光波導(dǎo)的光功率是均等的.圖4(b) 所示為計算得到的二維光柵總耦合效率、向上的光反射以及向襯底的光泄漏曲線.可以看到器件總耦合效率可達54%，中心波長在1555 nm.對于完全垂直耦合而言，光耦合損耗主要由兩個部分組成，一部分為光纖入射時在光柵界面向上的光反射，另一部分為穿透光柵進入硅襯底的光功率，這里為了方便稱為襯底光泄漏.其中向上的光反射是回波損耗的來源同時也會在光纖內(nèi)引起干涉，從而嚴重影響器件的性能.因此，抑制向上的光反射對于完全垂直耦合光接口來說非常重要.然而，我們可以看到該二維光柵器件的向上光反射功率在中心波長處約為14%，對應(yīng)于-8.5 dB.相比之下，該器件的襯底光泄漏損耗相對較大，在中心波長處約為30%，而在波長1.56 μm之后迅速升高，這是因為光波長在遠離光柵耦合中心波長后，逐漸不滿足光柵耦合的相位匹配條件，光波導(dǎo)內(nèi)的光耦合下降，大部分從光柵透射進入襯底.通過引入襯底反射鏡，光柵耦合效率有望得到大幅度提高.

2 結(jié)果討論分析

為了對器件進行實驗驗證，我們采用該二維光柵結(jié)構(gòu)作為光輸入耦合器構(gòu)建了一個集成光電子線路并通過MPW流片實現(xiàn).器件芯片照片如圖5 (a) 所示，我們采用兩個MMI耦合器作為光合束器實現(xiàn)了兩側(cè)雙波導(dǎo)的光學(xué)合束，并通過兩個光柵耦合器耦合輸出.圖5 (b)、圖5(c) 和圖5 (d)分別為二維光柵、MMI耦合器以及輸出光柵耦合器的局部放大芯片照片.芯片制造基于中國科學(xué)院微電子所的商用硅基光電子工藝，其主要工藝步驟如下所述：首先，基于193 nm深紫外光刻技術(shù)對光柵結(jié)構(gòu)、光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行圖形化并采用電感耦合等離子體刻蝕 (ICP) 對光柵和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行刻蝕.為了簡化制造工藝，芯片中光波導(dǎo)均采用脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩側(cè)平板區(qū)域刻蝕深度與光柵刻蝕深度均為80 nm.此后，采用等離子體增強化學(xué)氣相沉積工藝在芯片表面淀積1 μm二氧化硅作為上包層，同時也給器件提供保護.為了實現(xiàn)單模光傳輸和模斑轉(zhuǎn)換中的絕熱光傳輸，芯片中單模光波導(dǎo)寬度和錐形模斑轉(zhuǎn)換器長度分別設(shè)計為450 nm和300 μm.

為了驗證測試器件的工作，我們首先基于3-D FDTD對測試器件進行了線路級仿真，整個光學(xué)傳輸包括光從二維光柵耦合進入芯片并通過模斑轉(zhuǎn)換器、MMI耦合器，仿真中我們采用的入射偏振態(tài)為線偏振光且偏振方向為光柵對角線方向.在這種情況下，二維光柵將均勻地進行四通道光學(xué)分束，且兩個相互正交波導(dǎo)方向上的光相位一致，因此兩側(cè)的光在MMI耦合器進行光學(xué)合束時會干涉增強.圖5(a)中插圖為我們計算得到的測試器件在入射光由二維光柵垂直入射進入芯片后的光場分布平面圖，可以看到器件在兩側(cè)分別形成了兩個類馬赫曾德干涉儀結(jié)構(gòu)，當兩側(cè)的干涉儀結(jié)構(gòu)均為等臂長時，兩端MMI的光學(xué)輸出在全波長范圍內(nèi)均為干涉增強后的高功率；當兩側(cè)干涉儀結(jié)構(gòu)均存在一定臂長差時，兩端MMI的光學(xué)輸出譜便會呈現(xiàn)出強烈的干涉現(xiàn)象.

為了驗證我們的仿真分析，我們對器件進行了測試表征，測試實驗裝置照片如圖6(a)所示.我們采用一個可調(diào)諧激光器作為光源，采用一個光功率測量模塊進行光接收，兩個模塊均集成在測試儀器Agilent lightwave multimeter B163B 中，接收端進行光電轉(zhuǎn)換后經(jīng)過處理連接到計算機并通過商用光學(xué)軟件進行掃描控制和光譜顯示.為了對入射光偏振態(tài)進行調(diào)諧，我們在前端光路中插入了一個偏振控制器，并采用一個臨近的一維光柵耦合器來實現(xiàn)偏振態(tài)校準.在完成偏振態(tài)校準后，我們首先對等臂長的器件進行了測試，采用二維光柵進行光輸入，通過兩側(cè)一維光柵耦合器進行光學(xué)輸出.圖6(b) 所示為我們測試得到其中一個輸出端口的歸一化光學(xué)傳輸譜.為了得到二維光柵的耦合效率，這里我們?nèi)コ薓MI耦合器和輸出光柵耦合器的耦合損耗.從圖中可以看到，實測得到二維光柵耦合效率與仿真計算結(jié)果較為吻合，實測最高耦合效率為-7 dB，而仿真結(jié)果為-5.7 dB.實測結(jié)果相比仿真結(jié)果有所降低，這可能是由于制造的不完美性以及實測中沒有考慮去除的模斑轉(zhuǎn)換器光損耗等原因.考慮到測試結(jié)果只是兩個輸出端口中其中一個的光學(xué)輸出，因此測試結(jié)果并不能代表二維光柵的總耦合效率.假定光纖精確對準在光柵中心，根據(jù)光柵的對稱性我們可估算出器件的總耦合效率為測試結(jié)果的兩倍，即約為40%.表1所示為本論文中二維光柵設(shè)計與已報道的其他二維光柵器件性能對比結(jié)果，可以看到該設(shè)計具有較高的耦合效率同時易于制造等優(yōu)點.

我們還測試了另一個非等臂長的測試器件，也即兩側(cè)兩個干涉儀均存在80 μm的臂長差，根據(jù)光學(xué)基本理論，干涉光譜的FSR應(yīng)滿足

(3)

其中Neff為器件中450 nm寬單模脊型波導(dǎo)的有效折射率，ΔL為光學(xué)臂長差.注意這里因為我們在測試中采用的是可調(diào)諧激光器掃描方式測得的器件光譜響應(yīng)，因此公式中應(yīng)該是單模波導(dǎo)的有效折射率而非群折射率.根據(jù)我們基于Lumerical Mode solution軟件計算的結(jié)果，單模脊型波導(dǎo)的有效折射率Neff約為2.53.設(shè)中心波長λ0=1.55 μm，我們可以得到干涉光譜的FSR理論值應(yīng)約為11.8 nm，這與圖6(c) 中11.3 nm的實測結(jié)果較為吻合.可以看到干涉光譜呈現(xiàn)出與圖6(b)中實測結(jié)果較為接近的包絡(luò)，光譜最高干涉消光比可達33 dB，這顯示出器件的二維光柵輸入端在特定的偏振態(tài)下可作為較為理想的6 dB分束器使用.基于器件具有類馬赫-曾德干涉儀的性質(zhì)，該二維光柵結(jié)構(gòu)有望用于構(gòu)建MZI型光學(xué)濾波器以及MZI型硅基電光調(diào)制器件等，在光學(xué)傳感、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域取得應(yīng)用.

表1 本設(shè)計與已報道的二維光柵耦合器主要性能參數(shù)對比

3 結(jié)論

我們設(shè)計并實驗驗證了一種基于二維光柵和四通道波導(dǎo)設(shè)計的完全垂直光柵耦合器.為了對器件進行性能優(yōu)化，我們采用FDTD數(shù)值分析方法對光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了一系列掃描優(yōu)化，最后基于雙參數(shù)掃描得到了最佳光柵周期為577 nm，以及器件的其他優(yōu)化參數(shù)組合.同時為了滿足193 nm深紫外光刻制造線寬要求，我們對器件的設(shè)計參數(shù)進行了一定折衷，最終將光柵周期、刻蝕孔半徑、刻蝕深度分別設(shè)置為570、210和80 nm.為了對器件性能進行表征，我們還基于二維光柵、MMI耦合器以及一維光柵耦合器構(gòu)建了集成器件.通過測試集成器件光傳輸并歸一化去除MMI耦合損耗和光柵耦合器損耗，得到二維光柵的耦合效率約為40%.同時，我們還設(shè)計并測試了一個具有臂長差的非等臂集成器件，測試結(jié)果顯示器件輸出光譜呈現(xiàn)出強烈的干涉現(xiàn)象，干涉消光比最高可達33 dB.這說明二維光柵在特定偏振態(tài)入射時可以在光耦合的同時作為6 dB分束器使用，該二維光柵器件有望應(yīng)用于光學(xué)濾波以及電光調(diào)制等領(lǐng)域.