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    傾斜耦合的光柵耦合器研究進(jìn)展

    2022-09-19 07:52:26張一凡莊永勇杜波波胡慶元夏鈺坤魏曉勇
    壓電與聲光 2022年4期
    關(guān)鍵詞:波導(dǎo)光柵光纖

    張一凡,莊永勇,楊 柳,杜波波,劉 鑫,胡慶元,夏鈺坤,張 磊,魏曉勇,徐 卓

    (1.西安交通大學(xué) 電子陶瓷與器件教育部重點實驗室,多功能材料與結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室,國際電介質(zhì)研究中心,電子科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710049;2.江西勻晶光電技術(shù)有限公司,江西 九江332000)

    0 引言

    信息化產(chǎn)業(yè)的普及使得時刻都有大量信息的交互,對信道容量的需求也隨之增高。電互聯(lián)技術(shù)受載體的局限,其發(fā)展正面臨著數(shù)據(jù)傳輸速率迅速膨脹的挑戰(zhàn),在帶寬拓展、實時傳輸及減小損耗等方面亟待高水平突破[1-3]。因此,研究人員通過互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝加工硅光子器件,在發(fā)送端將電信號調(diào)制到激光束上,并通過光纖傳輸?shù)浇邮斩?,?jīng)檢測器將光信號變?yōu)殡娦盘?,實現(xiàn)光纖通信[4-7],目前光纖通信已發(fā)展至長波長單模光纖通信。與電子相比,光子具有更高的傳輸速率,在減小波導(dǎo)損耗和獲得大信道的同時,又能保證傳輸信號輕易不發(fā)生畸變[8-9]。因此,基于硅光子集成的光通信、光互連及光傳感等技術(shù)得到飛速發(fā)展。

    硅光子器件基于硅和硅基襯底材料(如SiGe/Si、絕緣體上硅(SOI)等),利用CMOS技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和集成[10]。其中,SOI因高折射率、與CMOS技術(shù)兼容性高和傳輸損耗低而成為焦點。鈮酸鋰晶體(LN)因為出色的電光效應(yīng)而獲得學(xué)者的廣泛關(guān)注,基于絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)的器件也不斷涌出[11-13]。器件的高集成化使得高效光傳輸成為現(xiàn)階段首要問題,目前市面上大多數(shù)硅波導(dǎo)截面積可降至0.1 μm2,是單模光纖的幾十分之一。光纖內(nèi)的光若不經(jīng)特定耦合器直接耦合進(jìn)波導(dǎo),將存在巨大的模式失配,導(dǎo)致耦合效率較低[14],因此急需尋求一種新型的耦合技術(shù)或器件。

    解決方案中,目前水平耦合方案與光柵耦合方案[14-15]應(yīng)用最廣。水平耦合采用錐形透鏡光纖,減小光纖模場的同時,又通過模板轉(zhuǎn)換器增大波導(dǎo)的模場,從而達(dá)到高效耦合。水平耦合可分為聚合物倒錐形、平板型倒錐形和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖耦合[16-20]。水平耦合方案具有帶寬大,偏振相關(guān)性小及耦合效率高等優(yōu)點。Li等[17]制作的水平楔形模斑轉(zhuǎn)換器在測試中損耗僅為0.44 dB。水平耦合方案制作難度大,位置受限且對準(zhǔn)容差小。為改進(jìn)上述弊端,科研人員們在繼承高效率耦合的基礎(chǔ)上,研究發(fā)展了光柵耦合。

    1949年,Harrison教授[21]提出,衍射光柵對近代物理學(xué)的發(fā)展很重要。光柵是基本的無源器件之一,在薄膜層中刻蝕各種不同周期、占空比和刻蝕深度的凹槽,將所接收的光耦合進(jìn)波導(dǎo)或光纖中,在集成光路、光通信及光傳感等方向起著重要作用,是通信領(lǐng)域中的重要角色。

    光柵作為橋梁具備以下優(yōu)勢[22-23]:

    1) 制作簡單,工藝損耗小。與CMOS技術(shù)高度互補(bǔ),不需要高精度的解理和拋光,避免了因制片復(fù)雜而磨損表面。

    2) 位置靈活。光柵位于芯片表面,耦合時可隨時調(diào)整位置。

    3) 片上測試。減小了封裝成本,在晶圓上對光柵進(jìn)行檢測,極大地提高了系統(tǒng)的集成性。

    4) 對準(zhǔn)容差大。光柵耦合器可直接與單模光纖進(jìn)行耦合,模斑面積大于水平耦合方案,損耗小,2 μm2的對準(zhǔn)容差僅帶來1 dB的額外損耗。

    5) 可實現(xiàn)多通道耦合。沿著光柵表面進(jìn)行排列,可實現(xiàn)多通道耦合。

    本文首先介紹了光柵耦合器原理,重點介紹基于SOI平臺均勻光柵、傾斜光柵、閃耀光柵和切趾光柵的研究進(jìn)展、制備方法和耦合效率,介紹了基于LNOI平臺的部分光柵耦合器,為后續(xù)工作提供參考。

    1 光柵耦合器的工作原理和分析方法

    1.1 光柵耦合器的工作原理

    圖1為基于SOI的光柵耦合器[14]。頂硅層(又稱器件層)為單晶硅薄膜,光柵刻蝕在薄膜上。常見的頂硅層厚度為220 nm、260 nm或340 nm。中間為隱埋氧化層(BOX),主要材料為SiO2,用來隔離頂硅層與襯底硅,并防止上層透射下來的光全部逸出耦合器,造成耦合效率降低。最下層為襯底硅層,為整個系統(tǒng)提供機(jī)械支撐。

    圖1 基于SOI的光柵耦合器

    光柵耦合器利用光的衍射實現(xiàn)光功率在光纖與波導(dǎo)間的傳輸,其原理可通過布喇格衍射解釋。圖2為布喇格衍射條件波矢示意圖[14, 22, 24],揭示了入射光波矢Kin與衍射光波矢間的關(guān)系。圖2僅可預(yù)測光柵允許的衍射級數(shù),無法計算不同衍射級間的能量分布和衍射效率[10, 21]。此外,布喇格條件只能簡單說明光柵周期Λ、波長和傾角θ之間的關(guān)系,未涉及光柵的刻蝕深度及占空比(FF)等因素。為了精確求解上述關(guān)系,需要借助數(shù)值仿真法(如時域有限差分法(FDTD)及有限元法(FEM)等)。

    圖2 布喇格衍射條件波矢示意圖

    設(shè)入射光所在空間折射率為n1,透射空間折射率為n2,z軸正方向為光柵方向,K為光柵矢量,且:

    K=2π/T

    (1)

    式中T為光柵周期。

    Kin在z方向上的分量Kin,z為

    (2)

    式中:λ為真空中的光波長;θ為Kin偏離光柵法線的角度。此時布喇格條件可表示為

    KM,z=Kin,z+MK

    (M=0,±1,±2,±3,…)

    (3)

    式中:M為衍射級數(shù);KM,z為Kin在z方向上的投影與M倍光柵矢量之和。

    隨著M增大,入射能量以不同效率進(jìn)入各個衍射級。為實現(xiàn)高效耦合,需要減少衍射級數(shù),以提高耦合效率,減小光在自由空間的衍射。

    由互易性原理[25-26]可知,從光纖耦合進(jìn)波導(dǎo)和波導(dǎo)耦合進(jìn)光纖的效率與損耗基本一致,僅方向相反。因此,本文僅討論光從波導(dǎo)耦合進(jìn)光纖。當(dāng)Kin=K時,光柵僅發(fā)生-1、-2級衍射,由式(3)可得:

    K-1,z=0 (-1級衍射)

    (4)

    K-2,z=-Kin(-2級衍射)

    (5)

    采用垂直耦合,光纖垂直放置在光柵上方,在這兩級衍射中,僅有-1級衍射光可垂直進(jìn)入光纖內(nèi),-2級衍射光反射回波導(dǎo)中,對器件造成損傷,影響器件的性能。耦合時應(yīng)盡可能避免和減弱-2級衍射光,實現(xiàn)對器件的保護(hù)。

    為克服這一問題,學(xué)者提出了傾斜耦合[14, 27],即使纖芯偏離光柵法線一定的角度,在減小二次反射的同時,又能保證與垂直耦合相當(dāng)?shù)鸟詈闲?。傾斜耦合可分為正傾斜耦合和負(fù)傾斜耦合兩種,如圖3所示[22]。

    圖3 布喇格衍射條件

    正傾斜耦合中-1級衍射波矢與入射波矢方向一致。在光柵耦合器發(fā)生衍射時,由于Kin>K,此時產(chǎn)生的-1級衍射波矢偏向Kin,不再垂直光柵,-2級衍射波矢在z反方向上的投影不等于K,產(chǎn)生一定的偏移,光束向下方衍射,減少了二階反射對器件的損耗。傾斜耦合中-1級衍射波矢與入射波矢方向相反。此時,K>Kin,-1級衍射偏向Kin的反方向,-2級衍射波矢在z反方向上的投影大于光在n1、n2中的波矢,不發(fā)生-2級衍射,即負(fù)傾斜耦合僅會發(fā)生-1級衍射,無-2級衍射。

    對正傾斜耦合仿真時發(fā)現(xiàn),雖存在向下的-2級衍射,但能量小,影響甚微,且兩者的-1級衍射蘊含的能量相當(dāng),即在耦合效率方面,正向與負(fù)向傾斜耦合幾乎一致。因此,是否易于封裝和擁有較小的尺寸起決定作用,光柵是對稱結(jié)構(gòu),從光纖耦合進(jìn)波導(dǎo)(波導(dǎo)耦合進(jìn)光柵)是一個基本單元,采用負(fù)傾斜耦合時,垂直方向上的光纖成正“八”結(jié)構(gòu),增大耦合器的尺寸,不易封裝與測試。而正向傾斜耦合,光纖頂端呈倒“八”結(jié)構(gòu),可使光纖頂端無限接近,極大地縮減了光柵波導(dǎo)的尺寸,易于制造。另一方面,對于相同的Kin,正傾斜耦合的K小于負(fù)傾斜耦合的K,即正向傾斜耦合時光柵周期大于負(fù)向傾斜耦合,在后續(xù)加工時,較大的光柵周期降低加工難度。綜上所述,在設(shè)計耦合系統(tǒng)時,正傾斜耦合更適合集成和封裝,在后續(xù)介紹中主要介紹正向傾斜耦合的光柵。

    1.2 光柵耦合器的主要性能指標(biāo)

    圖4為對于光柵耦合器內(nèi)光功率的傳輸過程。在光纖輸入波導(dǎo)部分總功率:

    Pw=ηCEPin=Pin-Psub-Pr-

    Pw2+Psub-r

    (6)

    式中:ηCE為光柵耦合器的耦合效率;Pin為纖芯輸出的總功率;Pr為光柵的向上反射功率;Psub為透射功率,帶有金屬反射鏡的光柵可減小透射功率,將部分Psub反射回波導(dǎo)內(nèi),增大耦合效率;Pw2為光柵的反向反射功率;Psub-r為基底反射上來的效率。由波導(dǎo)傳輸出的總功率Pw為入射總功率減去輸入部分所有透射和反射出去的光功率。

    對于波導(dǎo)輸出至光纖部分:

    Pout=ηCEPup=η(Pw-Pt-Pr-Psub+Psub-r)

    (7)

    式中:η為光場匹配因子;Pout為耦合到光纖的功率,是重要檢測指標(biāo)。由于光柵的互易性,光纖耦合到波導(dǎo)(波導(dǎo)耦合進(jìn)光纖)情況類似,故不再詳細(xì)展開。

    圖4 光柵耦合器截面圖

    采用光柵耦合時,以下指標(biāo)值得重視:

    1) 耦合效率(CE)是指傳遞進(jìn)波導(dǎo)中的光功率與光纖傳輸出的光功率之比。耦合效率是最重要的性能指標(biāo),高耦合效率可縮減耦合成本和減小耦合器的尺寸,其表達(dá)式為

    CE=(1-R)ηD

    (8)

    式中:R為反射率;D為耦合器的方向性。

    2) 反射率R是指光從波導(dǎo)傳輸至光柵時,反射回波導(dǎo)的光功率與入射光功率之比,其表達(dá)式為

    (9)

    3) 匹配因子η是指單模光纖與光柵光場重疊部分的積分,體現(xiàn)兩者的匹配程度。在R、D等不變的情況下,η越大,耦合效率也隨之增大,其表達(dá)式為

    (10)

    4) 方向性D是耦合進(jìn)光纖的功率與耦合出光柵的光功率之比,即:

    (11)

    5) 偏振相關(guān)損耗(PDL)指對波導(dǎo)內(nèi)橫電模(TE)和橫磁模(TM)偏振光的耦合效率變化的最大值。

    6) 耦合帶寬是指其耦合譜線的1 dB帶寬和3 dB帶寬。

    2 基于SOI平臺光柵耦合器的研究進(jìn)展

    2.1 均勻光柵

    傳統(tǒng)的均勻光柵耦合器,將其刻蝕在頂硅層為220 nm、隱埋氧化層為2 mm的SOI平臺上。當(dāng)周期Λ=634 nm,不外加底部金屬反射鏡。圖5(a)為特定的波長下耦合效率與刻蝕深度e的關(guān)系。圖5(b)為特定波長下耦合效率與占空比關(guān)系。通過控制刻蝕深度與占空比,此時最高耦合效率仍未超過60%[28],這限制了光柵的發(fā)展。為了進(jìn)一步提高耦合效率,HUA等[29]設(shè)計了一種刻蝕深度漸變的高效均勻光柵耦合器,圖5(c)為刻蝕深度漸變的均勻光柵耦合器。圖5(d)為耦合效率與波長的關(guān)系。該光柵耦合器的占空比為0.5,刻蝕深度為80 nm,在隱埋氧化層中分別引入了厚110 nm 和270 nm的Si,將透射到襯底的光進(jìn)一步反射到光柵中再次衍射,最終得到了81%的耦合效率、80 nm的大帶寬和8°的耦合角。

    圖5 傳統(tǒng)均勻光柵和刻蝕深度漸變光柵的耦合效率對比

    受衰減因子的影響,光柵的耦合模場沿傳播方向呈指數(shù)衰減,只有部分光功率耦合進(jìn)光纖內(nèi),造成耦合效率低。為減小這部分功率衰減,Wissem等[30]提出,通過調(diào)整光柵的FF和Λ,實現(xiàn)單模光纖與納米SOI波導(dǎo)間的高效耦合,并考慮到工業(yè)上可實現(xiàn)的最小加載條r和凹槽g,自定義占空比:

    (12)

    對于波長1 550 nm的TE偏振光,帶有底部金屬反射鏡的光柵1有26個周期,且Λ=600 nm,占空比為0.5,頂層硅厚250 nm,隱埋氧化層厚度為3 μm,刻蝕深度為70 nm,光纖的傾角為9°。經(jīng)算法優(yōu)化,確定rmin=87 nm,gmin=42 nm,并實現(xiàn)了-0.26 dB的耦合效率。光柵2、3在保持周期和刻蝕深度不變的情況下優(yōu)化可得rmin=115 nm,gmin=60 nm,-0.33 dB的耦合效率和rmin=115 nm、gmin=110 nm、-0.41dB的耦合效率。如圖6所示[30],3種光柵理論上均可獲得超過-0.5 dB的耦合效率和 43 nm寬的1 dB帶寬。

    圖6 FF和L漸變的光柵耦合器及耦合效率

    傳統(tǒng)的均勻光柵耦合器通過改變周期、刻蝕深度、占空比等已很難將耦合效率提高到80%以上。為得到小尺寸、高效率及大帶寬的光柵,研究人員改變光柵結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出傾斜光柵[31-32]、閃耀光柵[33-34]、二元閃耀光柵[35-36]及切趾光柵[37-38]等一系列高效率的光柵耦合器,將系統(tǒng)的集成化推到一個更高的層次。

    2.2 傾斜光柵

    傾斜光柵因其較高的耦合效率不僅是光柵耦合的最佳選項之一,也是一種理想的起偏器,具有較高偏振相關(guān)損耗PDL、低插入損耗、結(jié)構(gòu)緊湊及與光纖器件兼容性高等一系列優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用在光纖傳感和光纖激光器等領(lǐng)域[39-43]。

    制備傾斜光柵的工藝主要有反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和聚焦離子束刻蝕(FIB)[44]。傳統(tǒng)的RIE刻蝕需要保證樣品表面垂直,對于傾斜光柵的刻蝕,則需采用特殊的工藝來實現(xiàn)。

    1996年,Li等[45]掌握了亞微米級光柵的制造工藝,在全息曝光和顯影后,采用特殊加工的法拉第籠法來改變RIE中的等離子體方向,但由于光柵槽形和占空比控制不佳,耦合效率并未達(dá)到峰值。Milier等[46]將樣品傾斜30°,但受限于RIE不能加工有大傾角的傾斜光柵,且對薄膜表面損傷大,易造成污染,難以刻劃出更精細(xì)的凹槽,所制備的光柵耦合效率僅為49%,相較于均勻光柵未有大的突破,未得到大規(guī)模的推廣。后續(xù)研究人員在此基礎(chǔ)上,研發(fā)新型設(shè)備反應(yīng)離子刻蝕 (RIBE)[47],采用計算機(jī)實現(xiàn)全自動工藝控制和清洗器件表面。Levola等[48]采用RIBE,將離子化的氬刻蝕束傾斜入射至基板,并通過向真空室內(nèi)添加反應(yīng)氣體氟利昂,增加了SiO2和Cr之間的選擇性。在入射光波長λ=532 nm,功率為0.2 mW時,1級衍射的理論衍射效率為83%,所得樣品耦合效率可達(dá)80%,其結(jié)構(gòu)如圖7所示[48]。

    圖7 RIBE加工傾斜光柵

    為進(jìn)一步縮減光柵尺寸,提升其集成度,Wang等[49]設(shè)計了一款傾斜光柵耦合器(SLGC)。由于光柵耦合器的集成度高,且需要將其劃分為多個矩形子光柵以近似SLGC,因此不能應(yīng)用嚴(yán)格的電磁光柵理論如嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)[50]和本征模擴(kuò)展方法(EEM)[51]。綜上所述,采用有限差分時域(FDTD)[52]分析和設(shè)計傾斜光柵,仿真如圖8所示[49]。

    圖8 FDTD中均勻與非均勻傾斜光柵截面示意圖

    在2D-FDTD中,入射光為高斯光束,光纖纖芯和包層的折射率分別是1.507 3 和 1.46,傾斜光柵刻蝕在SOI波導(dǎo)頂部的Si3N4中,并用SiO2包住整個結(jié)構(gòu)?;趶?qiáng)耦合機(jī)制,短周期光柵可實現(xiàn)高效耦合,因此,選定均勻傾斜光柵周期為1.026 3 μm,刻蝕深度為1.626 3 μm,占空比為0.23,光柵傾角為34.98°,仿真得到72.9%的耦合效率。為進(jìn)一步提高耦合效率,采用非均勻傾斜光柵,SLGC中18個光柵脊的占空比在10%~90%內(nèi)獨立變化,其余變量與均勻傾斜光柵相同,最終可實現(xiàn)80.1%的耦合效率。與均勻傾斜光柵相比,非均勻傾斜光柵在僅改變占空比的情況下,耦合效率提高了7.2%。

    LIGHTTRANS公司仿真設(shè)計了傾斜二進(jìn)制光柵,采用RCWA對光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,如圖9所示[53]。在光柵傾角為34°,占空比為0.57,周期為405 nm、刻蝕深度為324 nm時,光柵+1級耦合效率可達(dá)93.659%,遠(yuǎn)超過均勻光柵耦合器的耦合效率(11.551%),打破了光柵耦合器效率低的難題,為后續(xù)的發(fā)展提供了一定的選擇。

    圖9 基于RCWA的傾斜光柵與均勻光柵耦合效率對比

    Lu等[32]基于RCWA和模擬退火優(yōu)化算法,開創(chuàng)性地設(shè)計了具有寬入射波長和折射率漸變的四層傾斜光柵。如圖10所示[32],光柵第一、四層均是Al2O3,折射率為nr1,厚度分別為h1和h4;第二層是TiO2,折射率為nr2,厚度為h2;第三層是折射率為nr3的Si層, 厚度為h3。光柵的傾角為γ,占空比FF=b/d(其中b為脊寬,d為周期)。仿真模擬發(fā)現(xiàn),在d=699.3 nm,h1=531.7 nm,h2=547.7 nm,h3=972.4 nm、h4=814.9 nm,F(xiàn)F=0.338 8、γ=71.64°時,該光柵在可見光范圍(550~680 nm)內(nèi)的3 dB帶寬為 130 nm,平均耦合效率為95%(TE與TM偏振),PDL小于0.2 dB,入射角度范圍為-2°~45°。

    圖10 折射率漸變的四層光柵結(jié)構(gòu)示意圖

    由圖10可看出,傾斜光柵的耦合效率普遍較高,但傾斜光柵加工難,工藝復(fù)雜。傳統(tǒng)的RIE很難實現(xiàn)良好的光柵齒型和刻蝕深度的控制,F(xiàn)IB雖然可實現(xiàn)傾斜刻蝕,但刻蝕速度較慢,會出現(xiàn)刻蝕不動的情況,且FIB對工藝要求高,必須嚴(yán)格控制刻蝕深度和傾斜角度,與傳統(tǒng)的CMOS工藝難以兼容。RIBE可以實現(xiàn)較好的控制,所制成樣品雖有參差,但整體是優(yōu)于RIE,且RIBE可以用于大規(guī)模制造傾斜光柵,這也是目前比較推薦的傾斜光柵的制備方法。

    2.3 閃耀光柵

    閃耀光柵的制作方法較多,如機(jī)械刻劃法、全息干涉法、全息離子束刻蝕法及灰度曝光技術(shù)等[21, 54-57]。機(jī)械刻劃法加工的閃耀光柵精密度低,誤差大,粗糙度大,同時還帶有其固有的“鬼線”,難以應(yīng)用在高密度光柵和小閃耀角光柵上。

    全息干涉法包含了駐波法[58]與傅里葉合成法[59-60]。駐波法通過調(diào)整薄膜與干涉光場的角度,在光刻膠內(nèi)形成角度的傾斜,顯影后即可在頂層硅上獲得閃耀光柵。傅里葉合成法是將鋸齒狀閃耀光柵拆解為多個正弦形光柵,并通過曝光在光刻膠上形成所需光柵。全息干涉法雖克服了機(jī)械刻劃法所固有的鬼線,但其加工的光柵閃耀角參數(shù)難以精細(xì)化控制,導(dǎo)致槽形變差,降低了光柵的耦合效率。

    全息離子束刻蝕技術(shù)[61-62]繼承了全息干涉法的無鬼線、高信噪比等特點,又因其制造成本低等原因,目前已被世界各大廠商引進(jìn)。其原理與全息干涉法類似,但全息離子束刻蝕可精密控制光柵的高度、刻蝕深度及刻蝕速率等,其理論上可加工任意閃耀角的光柵。1976年,Aoyaga等[63-64]首次報道全息離子束刻蝕閃耀光柵,在砷化鎵(GaAs)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基底上,加工了各種閃耀角(7°~26°)的光柵。

    1998年,Osterried等[65]在全息離子束刻蝕的基礎(chǔ)上提出,用浸漬涂覆(Dip Coating)法優(yōu)化,將加工的大閃耀角的光柵浸入特定的溶液,隨后烘干,即可獲得高精度閃耀角的光柵,并用此方法制作出了閃耀角為0.69°的閃耀光柵。

    圖11 具有閃耀光柵的波導(dǎo)型HDM整體設(shè)計

    近年來,灰度曝光技術(shù)[57, 66]也被應(yīng)用在閃耀光柵的制作上,利用灰度掩模對入射光進(jìn)行調(diào)控,獲得不間斷變化的曝光深度來實現(xiàn)閃耀光柵的槽形。Mouroulis等[57]采用灰度曝光技術(shù)加工了周期為20 mm的閃耀光柵,其最大耦合效率可達(dá)80%。Mattelin等[67]進(jìn)一步拓寬該技術(shù),實現(xiàn)了光學(xué)影像在PMMA波導(dǎo)內(nèi)傳輸。通過光柵的衍射,將影像傳輸至眼前,達(dá)到成像的效果。其設(shè)計的閃耀光柵閃耀角為43°,周期為508 nm,占空比為0.66。圖11為頭盔顯示器(HMD)的光學(xué)設(shè)計布局[67]。其中包括有用于圖像傳輸?shù)牟▽?dǎo),用于將圖像輸入和輸出的閃耀光柵及通過波導(dǎo)傳輸圖案的光學(xué)引擎。加工的具有閃耀光柵結(jié)構(gòu)的HDM輸入效率為48.4%,輸出效率為17.4%。

    為進(jìn)一步提高耦合效率,減小插入損耗,Su等[68]采用梯度算法來優(yōu)化閃耀光柵耦合器。由于3D-FDTD與2D-FDTD仿真間的耦合效率差異小,當(dāng)高斯光束波長聚焦在1 550 nm時,3D仿真效率為2D仿真效率的97%,但2D-FDTD可減小仿真所需時間,因此,采用2D-FDTD來建模光柵耦合器。如圖12所示,光源采用高斯光束,所有仿真均在20 nm的空間離散化進(jìn)行,仿真區(qū)域的邊界條件為完美匹配層(PML)。實現(xiàn)了一種插入損耗低于0.2 dB、最小特征尺寸為50 nm、閃耀角為50°、1 dB帶寬為26 nm、耦合效率為95%的閃耀光柵。此外,Su等在文中設(shè)計了其他類型的光柵耦合器,包括切趾光柵、雙層光柵及多功能光柵耦合器。

    圖12 經(jīng)梯度算法優(yōu)化后的閃耀光柵耦合器

    由于閃耀光柵固有的遮蔽效應(yīng)[69-72]及對鋸齒面及面粗糙度的要求越來越嚴(yán)格,現(xiàn)有工藝很難滿足高精度閃耀角的加工,所以急需一種既可滿足現(xiàn)有工藝發(fā)展水平,又能有大衍射效率的光柵,這推動了二元閃耀光柵的發(fā)展。二元閃耀光柵由一組寬度不同的光柵組成,根據(jù)形式雙折射理論,通過改變光柵間的寬度,調(diào)整折射率分布可將其等效為折射率漸變的閃耀光柵[69, 73-74]。其在微納集成光電子器件上有巨大的潛力,作為耦合器的同時還能實現(xiàn)濾波器、偏振分?jǐn)?shù)器、反射器及模場轉(zhuǎn)換器等[75-78]功能。

    圖13為雙層二元閃耀光柵及仿真圖。2007年,F(xiàn)eng等[23]提出了使用雙層二元閃耀光柵耦合器的新型偏振分束器,將來自光纖的法向入射光根據(jù)偏振態(tài)分開,耦合到兩個波導(dǎo)中。該耦合器上層用于TE模式的耦合,下層用于TM模式。TE與TM間的SiO2厚度無嚴(yán)格要求,但SiO2較薄可提高下層耦合器的耦合效率。由FDTD仿真結(jié)果可知,上層TE模式的耦合效率為58%,下層TM模式的耦合效率為50%。Feng同時指出,在基底添加分布式布喇格反射鏡可提高耦合效率。

    圖13 雙層二元閃耀光柵及仿真圖

    Xu等[36]提出了一種在SOI平臺上完美實現(xiàn)傾斜耦合的高性能二元閃耀光柵耦合器,在工藝允許的范圍內(nèi),對光柵的周期、刻蝕深度及子周期的占空比進(jìn)行了模擬,在波長為1 550 nm時,其耦合效率為-1.78 dB,3 dB帶寬為100 nm,插入損耗為-4.64 dB,如圖14所示[36]。圖14 (c)為光通過二元閃耀光柵,從單模光纖耦合到波導(dǎo)的過程,大部分光功率成功耦合到波導(dǎo)中,僅有少部分光功率泄露到高折射率的硅襯底中。

    圖14 二元閃耀光柵的SEM圖及場分布圖

    在此前研究基礎(chǔ)上,閃耀和二元閃耀光柵實現(xiàn)了高效耦合與TE、TM偏振同時耦合的問題,但兩者在樣品加工上還有一定弊端,閃耀光柵對于高精度閃耀角的需求很高,且對表面平滑度十分敏感。二元閃耀光柵制備的難點是最小寬度的凹槽難以實現(xiàn),極易造成光柵的加工損耗,增加成本。相比于閃耀與二元閃耀光柵,切趾光柵更易加工。

    2.4 切趾光柵

    根據(jù)已有光柵設(shè)計,研究人員們將光柵的周期改為線性,在實現(xiàn)高效耦合的同時,降低了加工難度,實現(xiàn)變周期光柵耦合器(又稱切趾光柵[37,79-82])。如圖15所示,對比切趾光柵與普通光柵的輸出光功率強(qiáng)度分布可看出,從波導(dǎo)耦合到光纖一側(cè)時,切趾光柵充分發(fā)揮其變周期優(yōu)勢,將更多的光耦合進(jìn)光纖內(nèi),減少光在自由空間的發(fā)散,從而大幅提升耦合效率。

    圖15 均勻光柵與切趾光柵輸出光場對比

    圖16 不同頂層硅厚度下的光柵耦合效率

    2010年,Chen等[53]設(shè)計并制作了一種基于SOI平臺的切趾-均勻光柵耦合器,通過選擇合適的頂硅層厚度,優(yōu)化占空比,將前幾個周期的光柵設(shè)計為切趾型,之后為均勻光柵,可得到-1.2 dB的耦合效率和45 nm的3 dB帶寬。2015年,Angelo等[82]提出了一種切趾光柵,在無底部反射鏡時,對SOI平臺中的一維切趾光柵進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化。采用FDTD仿真所得切趾光柵耦合效率為65%,與具有相同刻蝕深度的均勻光柵相比,切趾光柵耦合效率提升了11%。當(dāng)改變頂硅層厚度仿真實現(xiàn)89%的耦合效率,在考慮工藝對光柵的影響后,效率仍達(dá)85%,圖16為頂硅層厚度S=220 nm和340 nm時最佳均勻、線性啁啾和切趾光柵耦合效率,以及切趾設(shè)計與均勻設(shè)計相比的絕對耦合效率增益(為了分辨,增加了50 nm的偏移)[82]。

    Marchetti等[83]提出了一種簡單實用的方法,通過優(yōu)化占空比、周期和刻蝕深度,實現(xiàn)高效光耦合。與以往的切趾光柵不同,該光柵中周期是占空比的函數(shù),占空比受線性切趾因子的影響,則有:

    neff=FF·n0+(1-FF)·ne

    (13)

    FF=F0-T·z

    (14)

    (15)

    式中:neff為有效折射率;n0,ne為光柵齒和刻蝕部分的折射率;F0為光柵的初始占空比;T為線性切趾因子;z為光柵實際位置到零點位置的距離,如圖17(a)所示[83]。

    圖17 切趾光柵的橫截圖及設(shè)計原理

    當(dāng)T確定時,F(xiàn)F與z呈線性變化,將結(jié)果代入式(13)可得不同的有效折射率,從而得到不同的光柵周期。在權(quán)衡工藝的情況下,選擇SOI平臺頂硅層為260 nm,線性切趾因子T=0.025,F(xiàn)0=0.9,刻蝕深度為160 nm,仿真可得其耦合效率為83%;當(dāng)T不變,刻蝕深度為230 nm,此時耦合效率為68%。由此看出,在保證其余因素不變時,若只增大刻蝕深度,耦合效率降低。SOI的頂硅層厚度為220 nm,根據(jù)T和刻蝕深度的不同,重新設(shè)計切趾光柵。當(dāng)刻蝕深度為110 nm,T=0.027 5,耦合效率最大為70%。Marchetti指出,構(gòu)建光柵周期與T、F0的關(guān)系式,進(jìn)一步拓寬了切趾光柵的種類,但該方法也存在一定弊端,即F0對工藝要求較高,當(dāng)F0=0.9時,該光柵的最小特征尺寸為60 nm,若進(jìn)一步增大F0,雖在一定程度上可獲得更高的耦合效率,但增加了制作難度,不利于實物的加工與測試。

    除優(yōu)化占空比和周期等因素,還可通過在1個周期內(nèi)交錯改變刻蝕深度,進(jìn)一步提升切趾光柵的耦合效率。如圖18(a)、(b)所示[84],Luo等[84]采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)進(jìn)行切趾設(shè)計,在標(biāo)準(zhǔn)SOI平臺上,采用交錯刻蝕使g1深度為70 nm,g2深度為220 nm。2D-FDTD仿真光耦合進(jìn)波導(dǎo)的過程如圖18(b)所示,可得CE=-2.2 dB。Luo同時指出,該方法所設(shè)計的光柵在加工時可采用最小特征尺寸為140 nm的商用硅光子工藝加工,若在隱埋氧化層中加入金屬反射鏡,則會進(jìn)一步提升光柵的耦合效率,但增加成本及加工難度,不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

    圖18 交錯刻蝕和切趾光柵相結(jié)合的光柵耦合器

    Kamandar等[38]采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和梯度伴隨法來優(yōu)化具有100多個變量的光柵耦合器,對于單模光纖直徑為?10.4 pm,波導(dǎo)長度為300 nm。通過FDTD仿真設(shè)計實現(xiàn)了在1 550 nm波長附近-0.35 dB的超高效率光柵耦合器。

    通過光柵耦合器將硅光子高效、緊湊、新穎的耦合與封裝到光纖上已成為基本要求,近年來,基于SOI平臺的均勻、傾斜、閃耀、二元閃耀及切趾光柵耦合器發(fā)展迅速。表1為近期基于SOI平臺光柵耦合器的耦合效率、帶寬、刻蝕深度及周期等因素匯總。由表可發(fā)現(xiàn),對于同一光柵,增加分布式布喇格反射鏡(DBR)或金屬反射鏡可提升耦合效率,減小光在基底的吸收或在自由空間的發(fā)散。

    續(xù)表

    3 其他平臺的光柵耦合器

    自1990年鈮酸鋰晶體產(chǎn)業(yè)化以來,被嘗試使用質(zhì)子交換等技術(shù)來制備光波導(dǎo),但受限于當(dāng)時工藝,鈮酸鋰晶體的部分光學(xué)性能并未開發(fā)。隨著工藝的突破和LNOI的出現(xiàn),開啟了鈮酸鋰在集成光學(xué)的應(yīng)用大門[11, 103-106]。此后基于LNOI的光柵耦合器等各類高性能的產(chǎn)品涌現(xiàn)出來。

    2017年,Chen等[107-108]為提升單模光纖(SMF)與LNOI上的光柵的耦合效率,設(shè)計、制備并表征了具有金屬反射鏡的光柵耦合器,測得其最大耦合效率為20.42%。同年,Chen仿真和實現(xiàn)了在LNOI平臺上采用磁控濺射法沉積Si加載條的光柵耦合器,光柵通過聚焦離子束(FIB)刻蝕在Si加載條上,如圖19所示[108]。由2D-FDTD仿真可知,在波長1 550 nm處,該結(jié)構(gòu)的整體耦合效率為31.62%,實物的耦合效率為2%(-18 dB)。在此基礎(chǔ)上,Yang等[109]將均勻光柵與亞波長光柵波導(dǎo)相結(jié)合,在LNOI上仿真并實現(xiàn)了脊波導(dǎo)光柵耦合器。該耦合器由均勻光柵、錐形直波導(dǎo)和短周期亞波長光柵波導(dǎo)組成,在1 550 nm波長附近,光柵周期為1.17 μm 時,對于TE偏振耦合效率可達(dá)-5.1 dB。

    圖19 光束從光纖到芯片、芯片到光纖的整體示意圖及橫截面圖

    2019年,Inna等[110]在Z切的LNOI上采用RIE法制備均勻光柵耦合器和匯聚型光柵耦合器,對于均勻光柵耦合器,選用TE偏振光,當(dāng)Λ=0.92 μm,占空比為40%時,光纖到光柵的耦合效率為44.6%,光纖到光纖的耦合效率為20%。修改周期和占空比等參數(shù)后,選用TM偏振光,其單次耦合效率為19.4%。改用匯聚型光柵耦合器后,對于TE偏振光的耦合效率為19.4%。實物結(jié)構(gòu)如圖20所示[110]。

    圖20 基于LNOI的均勻性光柵耦合器匯聚型光柵耦合器

    為實現(xiàn)耦合效率的跨越式提升,2020年,Kang等[13]在Z切鈮酸鋰上,通過在底部追加金屬反射鏡實現(xiàn)了LNOI上的切趾光柵,如圖21(a)所示,該光柵耦合器由切趾光柵及均勻光柵組成。為進(jìn)一步提高耦合效率,Kang等設(shè)計的光柵齒為梯形,并非傳統(tǒng)的矩形,采用電感耦合等離子體刻蝕機(jī)(ICP-RIE),加工精度為10 nm,所得樣品在TE(TM)偏振下周期為0.909 μm 、1.057 μm,實測其耦合效率分別可達(dá)72%、61.6%。隨后,Kang等采用PSO算法優(yōu)化該結(jié)構(gòu),在TE偏振下耦合效率可達(dá)90%,刷新了基于LNOI上光柵耦合器的最高效率。

    圖21 基于LNOI的切趾光柵整體示意圖及2D-FDTD中光從光纖耦合到波導(dǎo)的光場示意圖

    類似于SOI平臺,LNOI因在鈮酸鋰薄膜和隱埋氧層間的高折射率對比度,使其成為了另一種可控的光學(xué)集成平臺?;贚NOI的光柵耦合器不斷成功,進(jìn)一步打開了集成光子學(xué)的大門,研究人員在LNOI上成功實現(xiàn)了低損耗波導(dǎo)[111-112]、電光調(diào)制器[113]及微環(huán)諧振腔[114-117]等應(yīng)用,為集成光學(xué)的可持續(xù)發(fā)展提供動力。

    4 結(jié)論

    片上高效光互聯(lián)是當(dāng)今熱門話題之一,光柵以其高對準(zhǔn)容差、高耦合效率、相對簡單的加工方式,以及較小的尺寸增加了系統(tǒng)的靈活性和可集成度,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集成光學(xué)、光譜分析、信號處理及空間光調(diào)制等領(lǐng)域。本文從原理、結(jié)構(gòu)、主要性能參數(shù)對傾斜耦合的光柵耦合器分類進(jìn)行了詳細(xì)描述。

    本文首先介紹了光柵耦合器的關(guān)鍵性能指標(biāo)與布喇格條件,給出了光柵基本結(jié)構(gòu)圖,著重介紹了正傾斜耦合與負(fù)傾斜耦合的關(guān)系?;谡齼A斜耦合,介紹了SOI平臺上均勻光柵的耦合特點、發(fā)展現(xiàn)狀。其次介紹了傾斜光柵與閃耀光柵,雖然傾斜和閃耀光柵都能達(dá)到較高的耦合效率,但都對偏振敏感,且制作精度高,難度大,對表面污染敏感。因此,本文又介紹了基于SOI平臺的二元閃耀光柵和切趾光柵。二元閃耀光柵在達(dá)到高效耦合的同時又解決了偏振相關(guān)問題,但較小的周期性凹槽難以精密加工;而切趾光柵雖在現(xiàn)階段不能解決偏振問題,但因其制造工藝簡單,易加工,耦合效率高,成為近幾年的研究熱點。最后,介紹了基于LNOI平臺的幾種光柵耦合器,其效率也不斷突破,目前耦合效率最高可達(dá)90%。

    本文對光柵耦合器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,但目前對于光柵耦合器的研究仍處于實驗階段,并未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,對光柵耦合器的未來發(fā)展做以下展望:

    1) 光柵的耦合效率仍是最重要的指標(biāo),實驗研究也不斷驗證此觀點。雖然通過增加底部金屬反射鏡和DBR可減少光在基底或自由空間的損耗,有效地提高光柵的耦合效率,但也增加了成本和加工難度,不易大規(guī)模生產(chǎn),因此后續(xù)研究應(yīng)在不額外增加成本的情況下,盡可能地提升耦合效率,達(dá)到高效的片上互聯(lián)。

    2) 與水平耦合器相比,基于SOI和LNOI的光柵耦合器帶寬未實現(xiàn)大的突破。大量實驗數(shù)據(jù)表明,光柵耦合器的3 dB帶寬為100~150 nm,1 dB帶寬為50~80 nm,小的帶寬限制了耦合器的應(yīng)用,今后的發(fā)展應(yīng)著手突破帶寬的限制。

    3) 光柵耦合器的高對準(zhǔn)容差簡化了片上耦合的過程,但高對準(zhǔn)容差帶來的耦合效率分布不均難題并未得到很好地解決,光纖位置的調(diào)整極易改變光柵耦合器的耦合效率。在未來產(chǎn)業(yè)化過程中,應(yīng)確保光纖與光柵的相對位置不變,從而實現(xiàn)耦合效率最大化。

    隨著制造工藝和研究工作的不斷突破,光柵耦合器的耦合效率、偏振相關(guān)損耗及帶寬等特性將不斷提升,可以預(yù)見,光柵耦合器將沿著大規(guī)模應(yīng)用的方向迅速發(fā)展,并逐步走向成熟,成為集成光學(xué)領(lǐng)域不可或缺的一環(huán)。

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