熱光可調(diào)聚合物波導(dǎo)布拉格光柵的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

翟羽萌，王 瑾，蔣錫燕，許 吉，陸云清

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210023）

光電器件研究與應(yīng)用

熱光可調(diào)聚合物波導(dǎo)布拉格光柵的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

翟羽萌，王 瑾，蔣錫燕，許 吉，陸云清

（南京郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，南京 210023）

對(duì)提高基于聚合物材料的WBG（波導(dǎo)布拉格光柵）的熱光調(diào)制效率的方法進(jìn)行了研究。根據(jù)聚合物材料的光學(xué)特性設(shè)計(jì)了三階的WBG，仿真分析了WBG結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)光柵傳輸特性的影響；為提高熱光調(diào)制效率，采用了內(nèi)嵌式電極結(jié)構(gòu)與在WBG兩側(cè)構(gòu)建AT（空氣溝槽）相結(jié)合的方案。模擬結(jié)果表明，與一般熱光型調(diào)制結(jié)構(gòu)相比，該方案的波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度提升了1.87倍，實(shí)現(xiàn)了大范圍的波長(zhǎng)可調(diào)。所設(shè)計(jì)的熱光可調(diào)WBG具有受熱性強(qiáng)、熱均勻性高及熱串?dāng)_低等優(yōu)點(diǎn)。

波導(dǎo)布拉格光柵；聚合物；熱光效應(yīng)

0 引 言

WBG（波導(dǎo)布拉格光柵）相較于光纖布拉格光柵，具有器件尺寸小、可集成度高的優(yōu)點(diǎn)，在小型化光通信器件和集成光電回路中，是諸如濾波器、調(diào)制器和波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器等光子器件的重要組件［1］。特別是用于外腔反饋式分布反饋激光器時(shí)，利用熱光效應(yīng)等機(jī)制對(duì)WBG材料的折射率及反射譜進(jìn)行調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)激光器出射波長(zhǎng)的調(diào)諧。

聚合物材料具有價(jià)格低廉、波導(dǎo)制備工藝簡(jiǎn)單和易于與其他光子器件集成等優(yōu)勢(shì)，成為制備WBG的首選材料［2］。此外，聚合物材料具有較高的熱光系數(shù)（約為-10-4/℃）及較低的熱傳導(dǎo)率，可有效降低熱光可調(diào)WBG的工作功耗。然而，根據(jù)布拉格反射條件所設(shè)計(jì)的一階聚合物WBG，其周期往往小于0.5μm，采用常用的光刻工藝制備較為困難；另外，由于熱電極通常制備在波導(dǎo)器件上方，從而在波導(dǎo)垂直方向上形成溫度場(chǎng)梯度遞減的分布，因此熱光調(diào)制效率并不高［3-4］；而且在一個(gè)襯底上集成多通道的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時(shí)，通道間的熱串?dāng)_較高［5］。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文首先設(shè)計(jì)了三階聚合物WBG，其結(jié)構(gòu)可采用通常的反應(yīng)離子刻蝕工藝制備，然后提出了內(nèi)嵌式熱電極與在WBG兩側(cè)構(gòu)建AT（空氣溝槽）相結(jié)合的新型熱光調(diào)節(jié)方案。模擬結(jié)果表明，該方案能提高波導(dǎo)芯層受熱效率，而且波導(dǎo)芯層受熱均勻，有效降低了對(duì)相鄰?fù)ǖ啦▽?dǎo)的熱串?dāng)_。

1 WBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了側(cè)壁起伏型聚合物WBG結(jié)構(gòu)，如圖1所示，圖中，z為光傳播方向。每一個(gè)光柵周期Λ中包括寬波導(dǎo)芯層和窄波導(dǎo)芯層兩部分，寬波導(dǎo)芯層的寬度為WG，窄波導(dǎo)芯層的寬度為WG-H，即窄波導(dǎo)芯層兩側(cè)的齒深為H/2，波導(dǎo)芯層的高度為HG，而整個(gè)波導(dǎo)的高度為Hc。本文選用的包層聚合物材料折射率為1.45，芯層聚合物材料折射率為1.47，襯底硅材料折射率為3.16。

圖1 WBG結(jié)構(gòu)示意圖

首先設(shè)計(jì)了聚合物單模波導(dǎo)，然后在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)WBG。單模波導(dǎo)的設(shè)計(jì)采用有效折射率法。在滿足單模傳輸?shù)臈l件下，選取WG=3.5μm，HG=3.5μm，波導(dǎo)有效折射率neff=1.457 8。根據(jù)布拉格條件mλB=2neffΛ可以得到WBG周期Λ，當(dāng)光柵階數(shù)m=3時(shí)，Λ=1.595μm，這樣的參數(shù)在通常的反應(yīng)離子刻蝕工藝中均可滿足。

WBG的傳輸特性可以通過(guò)其反射譜來(lái)表征，反射譜的中心波長(zhǎng)、最大反射率以及帶寬是衡量光柵性能的重要指標(biāo)。在材料確定的情況下，影響光柵反射譜的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有兩個(gè)：光柵周期數(shù)N和光柵齒深參數(shù)H。本文設(shè)計(jì)的WBG的反射譜隨這兩個(gè)參數(shù)的變化而變化，如圖2所示。由圖2（a）可知，當(dāng)H=1.7μm時(shí)，隨著周期數(shù)N的增加，光柵反射譜的最大反射率也增大，同時(shí)反射譜的帶寬隨之變小；由圖2（b）可知，當(dāng)N=3 000時(shí)，隨著H從0.5變化到2.5μm，最大反射率先增大然后幾乎保持為100%，同時(shí)帶寬隨之變大，但反射譜的中心波長(zhǎng)減小。因此，在后文的設(shè)計(jì)中，選取N=3 000，H=1.7μm，此時(shí)最大反射率幾乎為1 0 0%， FWHM（半寬全高）約為0.7 nm。

圖2 WBG反射譜

2 熱光可調(diào)WBG的設(shè)計(jì)

為了提高熱光調(diào)制效率，本文提出了在聚合物WBG的波導(dǎo)芯層下方放置熱電極，同時(shí)在波導(dǎo)芯層兩側(cè)設(shè)置AT的方案，其橫截面結(jié)構(gòu)及溫度場(chǎng)分布如圖3所示。在圖3（a）所示結(jié)構(gòu)中，為了避免金屬電極對(duì)輸入光場(chǎng)的吸收損耗，設(shè)置電極到波導(dǎo)芯層表面的距離D=5μm，電極寬度We=10μm；在波導(dǎo)芯層兩側(cè)對(duì)稱分布AT，在文獻(xiàn)［6］中，MMI（多模干涉器）通道間距為13μm，故根據(jù)文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)溝槽寬度Wa=3μm，溝槽深度Ha= 13.5μm。圖3（b）中的色度條表示相對(duì)常溫環(huán)境的溫度變化。作為對(duì)比，圖4給出了常規(guī)熱光型波導(dǎo)器件的橫截面及其溫度場(chǎng)分布圖。從圖中可以看到，在熱電極溫度變化為50℃時(shí)，波導(dǎo)芯層中心處溫度上升了約23.2℃，水平方向上整個(gè)芯層的溫度差值為0.2℃，垂直方向上溫度差值為8.9℃。而電極在波導(dǎo)芯層下方時(shí)（見(jiàn)圖3），熱電極溫度變化依然為50℃時(shí)，波導(dǎo)芯層中心處溫度上升了約43.3℃，水平方向上整個(gè)芯層的溫度差值為0.1℃，垂直方向上溫度差值大幅降低，僅為0.5℃。可見(jiàn)，電極設(shè)置在波導(dǎo)芯層正下方時(shí)，波導(dǎo)芯層的受熱效率提高，同時(shí)芯層的受熱均勻性也顯著增加。

圖3 本文設(shè)計(jì)的熱光波導(dǎo)

圖4 常規(guī)熱光波導(dǎo)

引入AT后，其深度值Ha對(duì)熱光調(diào)制效率也有影響。圖5給出了不同Ha值下波導(dǎo)芯層中心處的溫度變化。由圖可見(jiàn)，當(dāng)熱電極溫度變化保持為50℃時(shí)，隨著Ha的增大，芯層中心處的溫度變化增大，當(dāng)Ha與包層高度（本文為20μm）一致時(shí)，波導(dǎo)芯層中心處溫度變化達(dá)到49.98℃，幾乎與熱電極溫度一致。圖6給出了3種不同結(jié)構(gòu)下沿波導(dǎo)光柵中心垂直方向上的溫度變化。此處的3種不同結(jié)構(gòu)分別為熱電極在波導(dǎo)表面的常規(guī)設(shè)計(jì)、熱電極在波導(dǎo)芯層下方但沒(méi)有AT的設(shè)計(jì)以及熱電極在波導(dǎo)芯層下方且有AT的設(shè)計(jì)。在這3種結(jié)構(gòu)中，最后一種結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)垂直方向上的溫度差值僅為10-2℃量級(jí)，保持了非常高的受熱均勻性。因此，在優(yōu)化后的設(shè)計(jì)中，選取Ha為20μm。

圖5 不同Ha下波導(dǎo)芯層中心處溫度變化

圖6 不同結(jié)構(gòu)下波導(dǎo)中心垂直方向上的溫度分布

在溫度的作用下，波導(dǎo)光柵的反射譜會(huì)發(fā)生變化，中心波長(zhǎng)λB發(fā)生漂移。對(duì)光柵方程mλB=2neffΛ的兩邊進(jìn)行微分可以得到：

式中，λB、neff和Λ都是溫度T的函數(shù)。在芯層和包層材料一致的情況下，將公式為材料的熱光系數(shù)）代入公式（1），并在式（1）兩邊同時(shí)除以mλB，可以得到

定義材料的熱膨脹系數(shù)為a，即ΔΛ/Λ=aΔT，則公式（2）可寫(xiě)為

聚合物熱膨脹系數(shù)相對(duì)熱光系數(shù)較小，因此在忽略熱膨脹對(duì)布拉格波長(zhǎng)的影響后，可以得出WBG的波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度理論最大值約為-0.117 nm/℃。圖7（a）給出了本文設(shè)計(jì)的WBG結(jié)構(gòu)，即熱電極在波導(dǎo)芯層下方且?guī)в蠥T，在熱電極溫度變化30℃時(shí)反射譜的變化?？梢钥吹?，溫度提升后反射譜中心波長(zhǎng)減小，變化曲線如圖7（b）所示。從圖7（b）可得，本文設(shè)計(jì)的 WBG的波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度約為-0.114 nm/℃，接近了波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度理論最大值，與僅有上方電極的常規(guī) WBG結(jié)構(gòu)相比（-0.061 nm/℃），提高了1.87倍，從而實(shí)現(xiàn)了大范圍的波長(zhǎng)可調(diào)。

圖7 WBG反射譜

本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的AT結(jié)構(gòu)應(yīng)用在多通道熱光可調(diào)WBG結(jié)構(gòu)中，可有效降低通道間的串?dāng)_。針對(duì)波導(dǎo)通道間隔為13μm的多通道結(jié)構(gòu)［6］，本文分別計(jì)算了通道1的熱電極溫度為70℃時(shí)兩種不同結(jié)構(gòu)下通道間的熱串?dāng)_，仿真及計(jì)算結(jié)果如圖8所示。在優(yōu)化后的內(nèi)嵌式電極與AT相結(jié)合的結(jié)構(gòu)中，通道2中溫度場(chǎng)幾乎沒(méi)有變化，表明通道間的熱串?dāng)_非常低。

圖8 雙通道波導(dǎo)截面溫度變化分布

本文還采用BPM（光束傳播法）模擬分析了雙通道WBG中的光波傳輸。圖9（a）為有AT時(shí)的雙通道 WBG結(jié)構(gòu)俯視圖，其中波導(dǎo)通道間隔為13μm；在有或無(wú)AT的情況下，當(dāng)光場(chǎng)從波導(dǎo)光柵通道1輸入時(shí)，波導(dǎo)光柵通道2在沿傳播方向上不同位置處的串?dāng)_如圖9（b）所示。從圖中可以看到：無(wú)AT時(shí)，相鄰波導(dǎo)通道在沿傳播方向上一直有串?dāng)_，即使在2 000μm處，通道間的串?dāng)_依然約為-35 dB；在AT的隔離下，相鄰波導(dǎo)通道間的串?dāng)_降為-49 dB，而且沿著傳播方向一直保持低串?dāng)_?？梢?jiàn)，引入AT能有效抑制波導(dǎo)通道間串?dāng)_，從而提高光子器件的集成密度。

圖9 帶AT的雙通道WBG

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)聚合物材料折射率及布拉格條件設(shè)計(jì)并優(yōu)化了三階聚合物WBG，針對(duì)常規(guī)熱光調(diào)節(jié)方案中調(diào)制效率不高的問(wèn)題，提出了新型的熱光調(diào)節(jié)方案，通過(guò)內(nèi)嵌式熱電極結(jié)構(gòu)與在WBG兩側(cè)構(gòu)建AT相結(jié)合，提高了WBG的熱光調(diào)制效率及受熱均勻性，其波長(zhǎng)調(diào)諧靈敏度提升了1.87倍，實(shí)現(xiàn)了大范圍的波長(zhǎng)可調(diào)。通過(guò)分析新型熱光調(diào)節(jié)方案下雙通道波導(dǎo)截面溫度變化分布及通道間的光傳輸特性，指出AT的引入可有效抑制波導(dǎo)通道間熱串?dāng)_和傳輸串?dāng)_。設(shè)計(jì)及模擬分析結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究聚合物熱光器件及提高光子器件的集成密度具有一定的參考價(jià)值。

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Design and Optimization of Thermo-Optically Tunable Polymer WBG

ZHAI Yu-meng，WANG Jin，JIANG Xi-yan，XU Ji，LU Yun-qing
（School of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Posts&Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In this paper，we investigate the method to improve the thermo-optic modulation efficiency of Waveguide Bragg Gratings（WBG）based on polymer material.According to the optical characteristics of polymer materials，a third-order WBG is designed.The effects of WBG structure parameters on the optical transmission spectrum of the WBG are also analyzed.In order to improve the thermo-optic modulation efficiency，anembedded electrode structure combined with the Air Trenches（AT）symmetrically beside the WBG is proposed.The simulation results show that the wavelength-tuning sensitivity of the propose WBG structureis increased by 1.87 times，which can achieve a broad wavelength-tuning range.Compared with general thermo-optic modulation structures，the designed thermo-optically tunable WBG features strong heated ability，high heat uniformity and low thermal crosstalk.

waveguide Bragg grating；polymer；thermo-optic effect

TN256

A

1005-8788（2016）03-0046-04

10.13756/j.gtxyj.2016.03.015

2015-12-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61575096）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20131383）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助青年項(xiàng)目（11404170）

翟羽萌（1990-），女，遼寧阜新人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ排c光信息處理。

王瑾，教授。E-mail：jinwang@njupt.edu.cn