基于SOI光波導(dǎo)的損耗測(cè)試與優(yōu)化

崔丹鳳，謝成峰，晉玉劍，劉耀英，李艷娜，韋麗萍，王永華，劉 俊，薛晨陽(yáng)

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051）

0 引 言

隨著集成光學(xué)的發(fā)展，光波導(dǎo)器件得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注.目前，光波導(dǎo)材料主要包括二氧化硅、絕緣體上硅（Silicon－on－Insulator，SOI）、鈮酸鋰等，其中SOI材料與另外兩種材料相比，成本較低且具有更好的材料穩(wěn)定性，并且與CMOS工藝兼容，更容易集成，因此，越來(lái)越多的光波導(dǎo)器件開(kāi)始選擇SOI材料［1，2］.衡量光波導(dǎo)器件性能的一個(gè)重要指標(biāo)是器件的損耗程度，為了能夠?qū)崿F(xiàn)性能好的光波導(dǎo)器件，必須要獲得低損耗的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元［3－5］.近年來(lái)，關(guān)于光波導(dǎo)損耗方面的研究受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，例如，S.J.Mc Nab和Y.A.Vlasov為了研究彎曲波導(dǎo)的損耗問(wèn)題，制備了上百個(gè)彎曲的波導(dǎo)線［6］；IMEC、根特大學(xué)、韓國(guó)高等科技學(xué)院等多所高校利用氫退火工藝將光波導(dǎo)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光波導(dǎo)中的傳輸模式，利用相關(guān)的仿真軟件對(duì)波導(dǎo)傳輸損耗進(jìn)行了理論分析和模擬仿真，并對(duì)制備出的低損耗光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了傳輸損耗及耦合損耗的測(cè)試和計(jì)算.

1 理論分析

光波在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中傳輸時(shí)，輸出光功率與輸入光功率之間的差值稱為插入損耗，主要包括波導(dǎo)中的傳輸損耗以及光纖和波導(dǎo)間的耦合損耗.本文主要研究傳輸損耗中的散射損耗、輻射損耗以及耦合損耗.波導(dǎo)的傳輸損耗可以籠統(tǒng)地表示為

圖1 波導(dǎo)散射損耗與表面粗糙度、波導(dǎo)寬度關(guān)系曲線Fig.1 The curve of relation among the waveguide surface roughness，scattering loss and width

1）散射損耗

散射損耗一般情況下也就是表面散射損耗，設(shè)k0為空間波數(shù)，n1為波導(dǎo)層的折射率，d為波導(dǎo)寬度，σ表示表面粗糙度，Payne和Lacey對(duì)于波導(dǎo)散射損耗的描述如式（2）所示.波導(dǎo)側(cè)壁的粗糙度呈指數(shù)型或者高斯型兩種分布，且指數(shù)型分布時(shí)系數(shù)m＝0.48，高斯型分布時(shí)m＝0.76，利用Matlab軟件就可以得到光波導(dǎo)散射損耗、表面粗糙度以及波導(dǎo)寬度的關(guān)系曲線，如圖1所示.由圖1中可以看出，隨著波導(dǎo)寬度的增加，散射損耗隨之減小，當(dāng)波導(dǎo)寬度固定時(shí)，散射損耗與σ2成正比.

2）輻射損耗

輻射損耗主要是指光在波導(dǎo)中傳輸時(shí)的襯底或覆蓋層的輻射，一般在彎曲波導(dǎo)中表現(xiàn)的比較明顯，是產(chǎn)生波導(dǎo)彎曲損耗的主要因素.設(shè)為環(huán)形波導(dǎo)每周的功率損耗百分比，δλd為諧振曲線的半高寬，γt為在諧振峰處的最低功率值，F(xiàn)SR為由頻譜寬度，可以得到單模條件下的環(huán)形波導(dǎo)彎曲損耗為

彎曲半徑與彎曲損耗呈指數(shù)關(guān)系，半徑越小，彎曲損耗越大，隨著半徑的不斷增大，環(huán)形波導(dǎo)的光場(chǎng)局域能力也隨之增強(qiáng).另外，光波從硅材料到空氣中的反射率約為30%，會(huì)產(chǎn)生較大的額外損耗，因此我們?cè)诠獠▽?dǎo)結(jié)構(gòu)的制備過(guò)程中沉積了一層二氧化硅來(lái)降低波導(dǎo)表面的輻射損耗.

散射損耗和輻射損耗都屬于在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的損耗，在實(shí)際測(cè)試中單模光纖和波導(dǎo)間的耦合損耗［9］也是影響器件性能的重要因素.光纖與波導(dǎo)的耦合方式主要有端面耦合和光柵垂直耦合兩種方式，端面耦合方式由于兩種材料存在較大的折射率差，并且具有較嚴(yán)重的模式失配，從而會(huì)產(chǎn)生較大的耦合損耗.耦合損耗的定量計(jì)算可表示為

光波導(dǎo)器件不僅可以通過(guò)改善波導(dǎo)表面粗糙來(lái)降低損耗提高性能，還可以將光的傳輸狀態(tài)控制在單模模態(tài)下.主要是由于多模模態(tài)下的波導(dǎo)光場(chǎng)局域能力較弱，且具有較大的體積模式，從而造成了泄露損耗和彎曲損耗的增加.因此，在設(shè)計(jì)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)需要將波導(dǎo)寬度控制在0階導(dǎo)模的截止厚度與1階導(dǎo)模的截止厚度［10］之間.

2 設(shè)計(jì)與制備

在1 550 nm波長(zhǎng)段利用束傳輸法（BPM）對(duì)不同波導(dǎo)寬度進(jìn)行模擬仿真，得到與有效折射率的關(guān)系曲線如圖2所示.從結(jié)果中可以得到，隨著波導(dǎo)寬度的增加，有效折射率隨之增大，而光場(chǎng)倏逝波強(qiáng)度隨之減弱，不利于直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔的近場(chǎng)耦合.當(dāng)波導(dǎo)寬度600 nm時(shí)，波導(dǎo)屬于單模傳輸模式，可以有效地降低傳輸損耗.

圖2 有效折射率與波導(dǎo)寬度變化關(guān)系圖Fig.2 Effective refractive index against waveguide width

在研究波導(dǎo)寬度與環(huán)形諧振腔諧振曲線關(guān)系的模擬仿真時(shí)，考慮到計(jì)算機(jī)的仿真運(yùn)行空間及速度，選取環(huán)形腔半徑為2.5μm，直波導(dǎo)與環(huán)形諧振腔之間的耦合間距為0.1μm.表1是不同波導(dǎo)寬度所對(duì)應(yīng)的損耗和品質(zhì)因數(shù)（Q）.

表1 不同波導(dǎo)寬度對(duì)應(yīng)的散射損耗及品質(zhì)因數(shù)Tab.1 Loss and quality factor in different waveguides

結(jié)合理論和工藝上的限制，我們選擇頂層硅為220 nm，掩膜層厚度為3μm的SOI基片.設(shè)計(jì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)寬度為500 nm，環(huán)形腔半徑為20μm，從而有效地提高直波導(dǎo)與環(huán)形腔的近場(chǎng)耦合，并且有效地降低環(huán)形腔的彎曲損耗.同時(shí)，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上覆蓋了一層厚度為1μm的二氧化硅來(lái)降低波導(dǎo)表面的輻射損耗.在加工制備過(guò)程中，采用了100 k V的電子束光刻系統(tǒng)的曝光工藝與深硅刻蝕技術(shù)［12，13］相結(jié)合的制備方法來(lái)獲得納米級(jí)線條圖形.電子束曝光技術(shù)不僅具有超高的分辨率，并且可以利用光刻膠作為掩模板而不需要單獨(dú)制備光刻板.通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，獲得了波導(dǎo)表面光滑且波導(dǎo)側(cè)壁陡直度較好的硅基光波導(dǎo)結(jié)構(gòu).制備完成的環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，圖3（b）為環(huán)形波導(dǎo)與直波導(dǎo)耦合區(qū)域，其耦合間距為129 nm.

圖3 掃描電鏡圖Fig.3 Scanning－electron micrographs

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

圖4 1 500μm矩形直波導(dǎo)輸出功率測(cè)試圖Fig.4 The output power testing chart of 1 500μm rectangular waveguide

分別對(duì)光在光波導(dǎo)傳輸中的傳輸損耗以及單模光纖與波導(dǎo)間的耦合損耗進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算.

3.1 傳輸損耗

在波導(dǎo)寬度為500 nm不變的條件下，利用Newport光功率計(jì)對(duì)不同波導(dǎo)長(zhǎng)度矩形直波導(dǎo)的輸入和輸出功率分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析后就可以得到波導(dǎo)在單位長(zhǎng)度上的損耗.選取的波導(dǎo)長(zhǎng)度分別為500μm，1 000μm和1 500μm，長(zhǎng)度為1 500μm的波導(dǎo)在輸入光功率為1 m W時(shí)的輸出功率如圖4所示.由式（1）可以得到其傳輸損耗，經(jīng)多次測(cè)試平均值為4.6 dB／cm.當(dāng)波導(dǎo)寬度變?yōu)?μm時(shí)，以相同的方法得到波導(dǎo)的傳輸損耗為8.3 dB／cm.從測(cè)試結(jié)果中可以得到，寬度為1μm的直波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光損耗遠(yuǎn)高于寬度為500 nm的波導(dǎo)損耗，與理論分析的單模條件下傳輸損耗較低一致.同時(shí)，對(duì)添加了覆蓋層的波導(dǎo)在相同的條件下進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果得到波導(dǎo)傳輸損耗降低到3.96 dB／cm.

利用透射功率譜法［14］對(duì)不同彎曲半徑的環(huán)形波導(dǎo)損耗進(jìn)行了較精確的測(cè)試分析，圖5為測(cè)試過(guò)程中觀察到的環(huán)形波導(dǎo)耦合效果圖，圖5（a）是在紅外CCD下的實(shí)時(shí)觀測(cè)圖，從圖中可以直觀地看出直波導(dǎo)與環(huán)形腔的通光過(guò)程，圖5（b）為相對(duì)應(yīng)的功率透射譜.根據(jù)式（3）、式（4）可以得到半徑為20μm的環(huán)形波導(dǎo)k2p＝4.5×10－3，彎曲損耗約為0.02 dB／bend.

圖5 環(huán)形波導(dǎo)的耦合效果圖Fig.5 The diagram ofring－waveguide coupled effect

3.2 耦合損耗

本文中主要采用端面耦合法和垂直耦合法對(duì)光纖－波導(dǎo)的耦合效率分別進(jìn)行測(cè)試，并得到最優(yōu)的耦合效率約為32.7%.

3.2.1 端面耦合法

端面耦合法是指光纖與波導(dǎo)直接對(duì)接，為了減小光纖和波導(dǎo)之間的尺寸差距，實(shí)驗(yàn)中采用錐形光纖，并利用耦合槽結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)耦合效率，耦合槽結(jié)構(gòu)的深度約為50μm左右，貫穿在SOI基片的頂層硅、氧化層以及基底硅中，如圖6所示，為端面耦合槽及光耦合效果圖，通過(guò)平臺(tái)測(cè)試，耦合效率最高能達(dá)到12.3%.

圖6 端面耦合Fig.6 End－face coupling

3.2.2 垂直耦合法

為了更有效地減小耦合損耗，提高耦合效率，對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了改進(jìn).采用垂直耦合法進(jìn)行測(cè)試，利用衍射光柵作為垂直耦合單元，與單模透鏡光纖組成垂直耦合系統(tǒng)，將光垂直耦合入直波導(dǎo)中，經(jīng)光波導(dǎo)傳輸?shù)匠錾涠?，再通過(guò)同樣的光柵結(jié)構(gòu)將輸出光信號(hào)匯聚到光電探測(cè)器中.實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示.垂直納米光柵結(jié)構(gòu)耦合輸入輸出端的效果如圖8所示，從圖中可以看出由于存在波導(dǎo)的傳輸損耗以及光柵結(jié)構(gòu)的耦合損耗，輸出端的光強(qiáng)要明顯弱于輸入端的光強(qiáng)，通過(guò)重復(fù)測(cè)試可以得到光柵結(jié)構(gòu)的耦合效率為32.7%左右，與端面耦合相比耦合效率有了較大的提高，并且大大降低了光纖－波導(dǎo)間的耦合損耗.

圖7 測(cè)量平臺(tái)示意圖Fig.7 Schematic of measurement platform

圖8 垂直納米光柵耦合Fig.8 Vertical nanometer grating coupling

4 結(jié) 論

本文在光的傳輸模態(tài)以及SOI光波導(dǎo)損耗特性的理論基礎(chǔ)上，利用模擬仿真分析，設(shè)計(jì)并制備出了具有光滑波導(dǎo)表面的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并分別對(duì)波導(dǎo)的傳輸損耗和耦合損耗進(jìn)行了測(cè)試.測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了單模傳輸模態(tài)時(shí)的傳輸損耗較低，在波導(dǎo)層上添加覆蓋層可以將波導(dǎo)傳輸損耗降低至3.96 dB／cm，利用光柵垂直耦合可以大大降低光纖－波導(dǎo)的耦合損耗，耦合效率可以達(dá)到32.7%.

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