硅基波導(dǎo)光柵耦合器件的測試與分析

楊俊波，周 唯，張華良，吳聞軍，黃 杰，陳丁博，張晶晶，韓云鑫

(國防科學技術(shù)大學，湖南 長沙 410073)

硅基波導(dǎo)光柵耦合器件的測試與分析

楊俊波，周 唯，張華良，吳聞軍，黃 杰，陳丁博，張晶晶，韓云鑫

(國防科學技術(shù)大學，湖南 長沙 410073)

本文利用光纖-波導(dǎo)測試系統(tǒng)對微納光子器件-亞波長光柵耦合器和波導(dǎo)進行測試；該測試系統(tǒng)具有50nm的調(diào)節(jié)精度，x、y和z三方向六軸自由度，并且能夠控制信號光的入射角度；該系統(tǒng)包括：可調(diào)諧激光器、偏振控制器、拉錐光纖、微動調(diào)整平臺、顯微系統(tǒng)、紅外相機和光功率計等；通過手動微調(diào)和精確對位，能夠?qū)ξ⒓{器件的耦合效率和插入損耗等性能進行測試；硅基波導(dǎo)光柵耦合器件的測試與分析對微納光電子器件的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義，能夠廣泛應(yīng)用于光通信和光信息處理領(lǐng)域。

光纖-波導(dǎo)測試系統(tǒng)；光波導(dǎo)；SOI；串擾；插入損耗

微納光電子器件廣泛應(yīng)用于光通信和光信息處理領(lǐng)域[1-5]，通過周期性的結(jié)構(gòu)設(shè)計，改變或影響材料和結(jié)構(gòu)的有效折射率、介電常數(shù)等，能夠?qū)崿F(xiàn)對電磁場和光信號的調(diào)制和控制，從而具有一些非常特殊的功能，包括：光束偏折、衍射控制、反常色散、負折射、光束延遲、慢光效應(yīng)等[6-12]。因此，在光通信、高性能計算、航空航天、軍事、傳感、醫(yī)藥檢測和環(huán)境監(jiān)控等方面具有重要的應(yīng)用[13-20]。

微納光電子器件的檢測和分析對于器件的設(shè)計和優(yōu)化具有重要的作用，如何能夠?qū)ζ骷脑O(shè)計參數(shù)和性能進行檢測也是一項非常具有挑戰(zhàn)性的工作。本文利用光纖-波導(dǎo)測試系統(tǒng)對亞波長光柵耦合器和波導(dǎo)器件進行測試與分析，對測試流程和分析方法進行詳細的討論和研究，并總結(jié)出通用的測試方法和標準。該工作對于微納光電子器件的設(shè)計、制作和測試分析具有重要的指導(dǎo)意義和幫助。

1 測試平臺簡介

光纖-波導(dǎo)測試系統(tǒng)如圖1所示，該實驗平臺分為以下幾部分：

(1) AQ2201型可調(diào)式激光光源，其光源波長調(diào)節(jié)范圍為：1 440～1 640 nm。

(2) TXP5004型偏振控制器(即起偏器)，可對激光光源的偏振態(tài)進行控制，具體調(diào)節(jié)過程需通過外接電腦的TXP_EXPLORER軟件完成。

(3) 垂直觀測CCD調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在上下、左右、里外和x-z平面內(nèi)的傾角四個維度上進行調(diào)節(jié)，該CCD鏡頭具有0～4.5倍的放大倍數(shù)，可自由調(diào)節(jié)，并且在其末端有一LED照明光源。

(4)水平光纖夾調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由圖1 中所示的4′、4″、4?組成，其分別為三維調(diào)節(jié)平臺、機步電機和控制器。該系統(tǒng)所夾光纖為拉錐光纖。該系統(tǒng)可以在上下、左右和里外三個維度上進行調(diào)節(jié)。其調(diào)節(jié)過程由步進電機控制，其最小調(diào)節(jié)步長為50 nm。

(5) 載物臺，用于放置SOI基片。

(6) 垂直光纖夾調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在上下、左右、里外和xz平面內(nèi)的傾角四個維度上進行調(diào)節(jié)，其最小的角度調(diào)節(jié)刻度為0.1°，其余三個維度的最小調(diào)節(jié)步長為10 μm。

(7) 水平觀測CCD，該CCD也可以在上下、左右、里外三個維度上進行調(diào)節(jié)，用于觀測波導(dǎo)通光情況，該CCD鏡頭與垂直放置的CCD鏡頭型號相同。

(8) PM100D型紅外探測器(即光功率計)，該功率計的信號來源于右端的水平放置拉錐光纖。

(9) AQ6317型光譜分析儀，該分析儀的信號同樣來源于右端的水平放置拉錐光纖，用于測試耦合器的耦合效率隨波長的變化情況。

(10) 信號轉(zhuǎn)換器，用于切換顯示器上的輸入信號，其包括四個切換端口，但實驗中只用到兩個端口。

(11) CCD觀測圖像顯示器，該顯示器與信號轉(zhuǎn)換器相連，用于顯示水平放置和垂直放置的兩個CCD所觀測到的圖像，通過信號轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)顯示圖像的切換。

(12) 計算機，該計算機用于控制起偏器的偏振態(tài)調(diào)節(jié)和顯示光譜分析儀的測試結(jié)果。

圖1 實驗測試平臺

2 測試操作過程

利用上述平臺對硅基波導(dǎo)光柵耦合器件性能參數(shù)進行測試的過程大致分為四個階段：器件形貌觀測、儀器及光纖測試、調(diào)節(jié)光源偏振態(tài)、直波導(dǎo)通光測試及估測損耗和耦合器件性能參數(shù)測試。

在介紹各個階段的具體操作過程之前，首先需要說明的是我們制作硅基波導(dǎo)光柵耦合器件時，并不只是在SOI基片上制作出光柵耦合器或分束器，還會在其基礎(chǔ)上制作兩至三根直波導(dǎo)，用于估測直波導(dǎo)損耗，而且耦合器或分束器我們也會制作兩至三個以作對比。具體的制作版圖及實際制作效果如圖2和圖3所示。

(1) 器件形貌觀測

主要是利用掃描電子顯微鏡觀測SOI基片上耦合器件及直波導(dǎo)的制作效果，將通過觀測獲得的數(shù)據(jù)與設(shè)計參數(shù)相對比，以了解該器件是否能達到測試要求，并可以通過觀測選出實際參數(shù)與設(shè)計參數(shù)最接近的耦合器件。

A為全刻蝕二元閃耀光柵耦合器；B為對稱式全刻蝕啁啾型亞波長二元閃耀光柵分束器；C為直波導(dǎo)及交叉波導(dǎo)；D為兩端帶有光柵耦合器的直波導(dǎo)及交叉波導(dǎo)圖2 SOI片制作版圖

圖3 (a)分束器；(b)耦合器；(c)無光柵波導(dǎo)；(d)有光柵波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(右端)

(2) 儀器及光纖通光測試

主要包括儀器參數(shù)的設(shè)定和測量橫向拉錐光纖通光情況。儀器參數(shù)設(shè)定主要是針對激光光源和起偏器。其中激光光源的參數(shù)為：輸入中心波長1 550 nm，輸入功率9.3 dBm，起偏器的參數(shù)通過計算機設(shè)置。光纖通光測試目的是確定左右兩端水平放置的拉錐光纖的光纖頭是否完好，是否可以實現(xiàn)很好的通光，并可以通過通光測試估算出光纖頭處的功率損耗。通光測試的具體操作步驟如下：

①設(shè)置好可調(diào)節(jié)激光器參數(shù)，將左端拉錐光纖直接接入光源，將右端拉錐光纖輸出端接于功率計。將左右兩端的拉錐光纖分別放置在水平光纖夾上，并通過光纖夾調(diào)節(jié)器將左右兩端的拉錐光纖頭均大致調(diào)節(jié)到載物臺上方。

②將垂直CCD調(diào)節(jié)至垂直狀態(tài)，并通過進一步調(diào)節(jié)上下左右，使兩個拉錐光纖頭能大致清晰的呈現(xiàn)在CCD視場中，并呈現(xiàn)在顯示器上。

③利用水平光纖夾的控制器精調(diào)光纖位置，使兩個光纖頭盡量接近，但避免兩光纖頭相撞。在調(diào)節(jié)位置的同時觀測功率計上的示數(shù)，功率計示數(shù)一般達到0 dBm以下則表明光纖頭基本對準，功率計上示數(shù)越小越好，在測試過程中，最小示數(shù)可達到-10 dBm左右。

④將左右兩端光纖夾及垂直CCD歸位，以便后續(xù)測量。

(3) 調(diào)節(jié)光源偏振態(tài)

①打開偏振光控制器和其附帶軟件TXP_EXPLORER，界面如圖4所示；

圖4 TXP_EXPLORER操作界面

②輸入光信號到偏振控制器，并將輸出光接入到拉錐光纖；

③將分光鏡放置于載物臺上，拉錐光纖垂直分光鏡的一個面入射；

④光經(jīng)過分光鏡以后會產(chǎn)生o光和e光，其中一束光直線輸出，通過水平放置CCD探測，并顯示在顯示屏上；

⑤當調(diào)節(jié)偏振控制軟件頁面的經(jīng)度和緯度時，偏振球上顯示的偏振點會移動，說明偏振在改變，偏振球下面圖形是偏振狀態(tài)圖，如圖4偏振狀態(tài)圖顯示的是橢圓偏振狀態(tài)一樣；

⑥如果發(fā)現(xiàn)偏振球上的點在晃動，一直不穩(wěn)定，說明偏振控制器輸出光不穩(wěn)定，并不是需要的偏振光，這是需要按照偏振控制器使用說明來進行校準；

⑦穩(wěn)定輸出偏振光以后，調(diào)節(jié)偏振球上點的經(jīng)度和緯度，從而改變偏振態(tài)，拉錐光纖輸出端的偏振態(tài)同樣發(fā)生改變，因此經(jīng)過分光鏡的o光和e光分量就不一樣，所以最后水平CCD上看到的光斑大小就會發(fā)生改變。調(diào)節(jié)經(jīng)度和緯度，使得光斑完全消失，這時說明分光鏡輸入的光全是TM光，也就是說拉錐光纖末端輸出的是TM光。

⑧確定TM光以后，通過點擊正交按鈕，如圖4所示，使得輸出光強最大，也就是說，這時拉錐光纖的末端輸出的是TE光，因此最終確定輸入到波導(dǎo)中的光是TE偏振光。

⑨偏振控制狀態(tài)確定以后，從載物臺上拿下分光鏡，這時不可改變偏振球的經(jīng)度和緯度。在此基礎(chǔ)上，進行下一步實驗。

(4) 直波導(dǎo)通光測試

該階段通過對直波導(dǎo)通光效果的測量以估測波導(dǎo)損耗，同時也可以通過觀測通光好壞反映SOI基片的制作效果。其具體操作步驟如下：

①將清洗干凈的SOI基片放置于載物臺正中間。打開垂直CCD上的LED燈，用以照亮SOI基片，便于觀測。調(diào)節(jié)CCD使其成垂直狀態(tài)，再調(diào)節(jié)上下左右，使在顯示器上能清晰的顯示SOI基片的形貌。根據(jù)顯示器上顯示的圖像微調(diào)SOI基片位置，使其呈水平放置。然后再調(diào)節(jié)CCD，使SOI基片上一根直波導(dǎo)處于顯示器中心位置。

②利用控制器調(diào)節(jié)左端拉錐光纖夾，使光纖頭與直波導(dǎo)基本處于一條直線上，盡量使光纖頭所處平面比直波導(dǎo)頂面高出一些。降下右端光纖夾，保證其不擋住右端水平CCD。打開右端水平放置CCD，同時關(guān)閉垂直CCD上的LED燈。利用信號轉(zhuǎn)換器將信號由垂直CCD輸出信號轉(zhuǎn)換為水平CCD輸出信號，此時可在顯示器上觀察到一個圓形光斑，此光斑為拉錐光纖出射的光。調(diào)節(jié)右端CCD鏡頭，使光斑最清晰明亮。然后利用控制器調(diào)節(jié)左端光纖夾，使其慢慢下降。當光纖頭所處平面下降至SOI頂面所處的平面以下時，圓形光斑下半部會慢慢消失，因為此時拉錐光纖的出射光被SOI基片的頂硅層擋住。如果拉錐光纖頭與直波導(dǎo)左端已經(jīng)對準的話，則光纖夾繼續(xù)下降時，在半圓形光斑正下方會出現(xiàn)一個小亮點，該亮點即為由直波導(dǎo)中透射出的光。光纖夾繼續(xù)下降時小亮點會消失，因為此時光纖頭被襯底層所擋住。但如果拉錐光纖頭與直波導(dǎo)沒有對準，則需要在大圓斑剩下一半時，左右微調(diào)光纖夾，并適當調(diào)整水平CCD鏡頭焦距，直至在半個大圓形光斑正下方出現(xiàn)小亮點。當小亮點出現(xiàn)后，在三個維度上微調(diào)光纖夾，使小亮點最亮，此時直波導(dǎo)通光。

③通光后將信號轉(zhuǎn)換器的信號切換至垂直CCD的輸出信號，同時打開LED燈。利用控制器調(diào)節(jié)右端拉錐光纖位置，使其光纖頭對準直波導(dǎo)右端端口，在調(diào)節(jié)過程中通過顯示器確定光纖頭位置，在移動過程中避免光纖頭與基片相撞。當調(diào)節(jié)至右端光纖與直波導(dǎo)在同一條直線且光纖頭與直波導(dǎo)端口非常接近時，上下調(diào)節(jié)光纖頭位置，同時觀察功率計示數(shù)。如果之前的操作已使波導(dǎo)通光，則功率計示數(shù)在上下調(diào)節(jié)光纖頭位置的過程中會有明顯變化。如果示數(shù)變化不明顯，則可能波導(dǎo)沒有通光，需要重新進行之前的通光操作。如果功率計上的功率示數(shù)明顯上漲。則需要在現(xiàn)有位置基礎(chǔ)上適當微調(diào)光纖頭左右，必要時也可適當微調(diào)左端光纖頭位置，使功率計的示數(shù)最大。一般功率計示數(shù)在-30dBm左右時，波導(dǎo)通光正常。我們在實驗過程中測得的最好結(jié)果為-11dBm左右。測試直波導(dǎo)通光的目的就是利用該功率值可估算出直波導(dǎo)上損耗，從而可以估算出耦合器或分束器上直波導(dǎo)部分所產(chǎn)生的損耗。

(5) 耦合器件性能參數(shù)測試

該階段為測量光柵耦合器或分束器的耦合效率或消光比，該測試是在直波導(dǎo)通光測試基礎(chǔ)上進行的。

具體操作如下：

①保持直波導(dǎo)通光測試過程中右端拉錐光纖位置不動，將左端拉錐光纖移開。移開左端后，將右端拉錐光纖稍稍向右微調(diào)，使其光纖頭離SOI基片側(cè)面有一定距離，但要保持該光纖的高度不變。利用控制器調(diào)整里外，移動右端光纖頭至欲測量的耦合器右端端口處，使光纖頭與該端口對準，但依舊保持光纖高度不變。在此過程中一直保持高度不變，是由于SOI基片上的直波導(dǎo)厚度與耦合器輸出端的直波導(dǎo)厚度相同，所以在同樣的高度就能接收到耦合器輸出端的輸出光。

②將垂直CCD調(diào)整至傾斜一定角度(大致20°左右)，通過調(diào)節(jié)上下左右，并適當調(diào)節(jié)CCD鏡頭焦距，使在CCD視場內(nèi)再次找到SOI基片，并將SOI基片上欲測量的耦合器光柵部分顯示在顯示器中心位置。將左端的拉錐光纖換至垂直光纖系統(tǒng)上，作為垂直入射光源。保持垂直光纖夾處于完全垂直狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)使拉錐光纖頭接近耦合器的光柵部分，光纖頭的位置可以通過顯示器觀測到。如果垂直拉錐光纖和右端水平光纖均已經(jīng)對準，則功率計上的示數(shù)會有明顯變化，此時可以微調(diào)這兩個拉錐光纖的位置，使功率計示數(shù)最大。在調(diào)節(jié)右端拉錐光纖時需要將垂直CCD系統(tǒng)向右移動，以確?？梢杂^察到右端拉錐光纖的光纖頭位置，避免光纖頭撞到SOI基片。由于垂直拉錐光纖的光纖頭面積較光柵區(qū)域面積大得多，所以只要保證垂直光纖頭基本對準即可有光進入耦合器，因此如果功率計示數(shù)無明顯變化，則可能是由于右端拉錐光纖沒有對準，此時需要微調(diào)右端拉錐光纖的里外，直到功率計有示數(shù)為止，再進行微調(diào)使示數(shù)最大。利用該功率值，并通過相應(yīng)計算可獲得耦合器的耦合效率。

③通過調(diào)節(jié)垂直光纖的傾角和高度可測量入射光角度和高度對耦合效率的影響。也可通過測量不同規(guī)格的耦合器來測量SiO2層厚度、刻蝕深度、制作誤差參數(shù)對耦合效率的影響。將右端拉錐光纖的輸出端改接至光譜分析儀器，進行掃譜操作，即繪制輸出功率隨輸入光波長變化的關(guān)系圖。

3 實驗結(jié)果分析

從光纖端面出射的激光信號斑尺寸與光柵耦合器的尺寸不同，X和Y方向上的對位誤差也會減少光柵平面的受光面積；本文采用的單模光纖(SMF)輸出光的模班尺寸大約是10 μm左右，光場能量呈典型的高斯分布，因此加劇了光纖模場分布與光柵模場的失配，降低了光柵面對信號光的耦合；另外，實驗中光纖和光柵面間沒有采用相關(guān)的折射率匹配液，因此在光柵面上存在明顯的菲涅耳反射，這樣進一步降低了光柵的耦合能量。通過調(diào)整光纖端面與光柵水平面的距離，利用光功率計對光柵面的能量進行測量，再考慮以上各種因素對耦合能量的影響，照射到光柵耦合器的光強需考慮光柵接收面積的比例為10%左右。

耦合進硅基光波導(dǎo)的光信號在波導(dǎo)上傳輸?shù)倪^程中的損耗包括：材料本身對光的吸收損耗、材料表面的粗糙度引起的光的散射損耗、波導(dǎo)尺寸失配引起的倏失波損耗等。測試光柵耦合器的耦合效率之前，制作了同樣尺寸和長度的波導(dǎo)，并采用相同的實驗條件和環(huán)境，對波導(dǎo)的傳輸損耗進行了測量，得到對于1 550 nm波長的信號光的傳輸損耗大約為35%左右。

在硅基波導(dǎo)出射端面的信號光離開尺寸為450 nm的波導(dǎo)在自由空間傳輸時，存在強烈的衍射效應(yīng)，同時，在鏡頭表面也存在明顯的菲涅耳反射，將光學顯微鏡系統(tǒng)收集到的衍射光場能量與波導(dǎo)中傳輸?shù)哪芰窟M行歸一化處理，發(fā)現(xiàn)有將近40%的能量損耗，因此，我們定義端面出的反射系數(shù)約為40%。

從硅基光波導(dǎo)出射的光信號經(jīng)過透鏡收集進入光功率計，考慮信號光的衍射效應(yīng)、準直和對準誤差、光功率計探測窗口大小的影響、探測器表面的反射等等，將光功率計獲得的能量與沒有加入顯微鏡系統(tǒng)直接獲得的能量進行了對比和歸一化處理，得到能量信號光的收集效率約15%左右。結(jié)合以上測試數(shù)據(jù)計算出光柵耦合器的耦合效率：

η=Po/(Pi×10%×65%×60%×15%)

由此計算得到光柵的耦合效率：

(1) 光纖的輸出端口測量激光的輸出功率Pi=130 μW

(2) 收集硅基光波導(dǎo)輸出端光信號的強度Po=0.55 μW

(3) 亞波長光柵耦合器的耦合效率η≈72%

本文利用光纖-波導(dǎo)測試系統(tǒng)對亞波長光柵耦合器和波導(dǎo)的耦合效率和傳輸損耗等參數(shù)進行測試，系統(tǒng)總結(jié)了微納光電子器件的測試方法和流程，并對測試結(jié)果進行了分析和討論。該測試方法對于微納光電子器件的設(shè)計、制作、測試和集成具有一定的指導(dǎo)意義。為快速準確的進行微納光電子器件光電參數(shù)的測試與分析提供了參考。

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Testing and Analyzing Silicon Waveguide and Grating Coupler Based on the Fiber-Waveguide Testing Platform

YANG Jun-bo,ZHOU Wei,ZHANG Hua-liang,WU Wen-jun,HUANG Jie,CHEN Ding-bo,ZHANG Jing-jing,HAN Yun-xing

(National University of Defense Technology,Hunan Changsha 410073)

Micro-nano optoelectronic devices play an important role in the filed optical communication,optical information processing,biological sensor,and high performance computing and so on.The fiber-waveguide testing platform is used to analyze the properties of micro-nano devices including crosstalk,insertion loss,coupling efficiency etc.It consists of a tunable laser,a polarization controller,a lensed fiber,x/y/z axis step-motor,optical power meter and so on,whose precision can reach up to 50nm.Using the fiber-waveguide testing system to analyze the coupling efficiency of subwavelength grating and the loss of waveguide,we propose a testing method,which can be used in optical communication and optical interconnect network.

fiber-waveguide testing system；waveguide；SOI；crosstalk；insertion loss

2016-07-12

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-12-0142);湖南省自然科學基金(13JJ3001)

1007-2934(2016)06-0009-06

TN 256

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.003