薄膜鈮酸鋰反向錐形端面耦合器

向美華, 于 碩, 李德陽, 楊登才

(北京工業(yè)大學材料與制造學部, 北京 100124)

集成光子器件利用光子作為信息載體,可實現(xiàn)大容量、高速率的信息傳輸和處理,在5G通信網絡、微波光子技術、高速光計算等領域具有廣泛應用。鈮酸鋰具有光學透明窗口寬、電光系數(shù)大、熱光系數(shù)低等優(yōu)越的光學特性[1],是集成調制波導的關鍵材料之一。傳統(tǒng)的鈮酸鋰體材料波導器件由于波導折射率差較小、對光的束縛能力差,難以實現(xiàn)器件的高度集成。為了滿足小型化和高集成度的需求,薄膜鈮酸鋰(lithium niobate on insulator,LNOI)材料應運而生,LNOI的鈮酸鋰層和二氧化硅層的折射率差大,大幅縮小了波導的彎曲半徑,有效減小了器件尺寸,有利于實現(xiàn)集成器件的高度集成[2-3]。然而,實際光通信中通常采用光纖作為載體遠程傳輸調制光信號,標準的單模光纖模場直徑約為10 μm,而LNOI 波導的模場直徑一般不超過1 μm,兩者在模場尺寸上的差異很大,模場失配嚴重,直接耦合損耗通常大于10 dB[4]。因此,急需研究LNOI 波導和光纖端面的高效耦合器,以推動LNOI 集成光子器件的實際應用。

光波導耦合器位于光纖和波導之間,主要有垂直耦合和端面耦合2種形式。垂直耦合主要有棱鏡耦合[5]、光柵耦合等方式[6],其中棱鏡耦合利用具有高折射率的棱鏡實現(xiàn)空間光場與波導模式的相位匹配,從而完成光場的耦合。這一方法對入射角度的準直度要求較高,小的入射角度誤差就會引起較大的耦合損耗。而光柵耦合則是利用光柵的衍射作用將光纖中的光場耦合進波導。光柵耦合器從起初的均勻淺刻蝕光柵耦合器[7],發(fā)展到可提高光柵輸出模場與接收光纖模場匹配度的非均勻光柵耦合器[8-9]和二維光柵耦合器[10]等,耦合效率不斷提高,逐漸成為主流的垂直耦合技術。光柵耦合器主要優(yōu)點在于其耦合位置靈活,可直接片內耦合測試,但受限于光柵的衍射,耦合效率存在一定限制,并且其對波長和偏振狀態(tài)較為敏感。端面耦合主要有透鏡耦合、錐形耦合等[11-13],其中透鏡耦合通過引入微透鏡,實現(xiàn)擴束準直和聚焦耦合,但是分立光學元件的引入,增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和裝調難度。而錐形耦合利用光的傳播特性,借助錐形結構可實現(xiàn)光纖大模場與波導小模場間的高效轉換,其在耦合效率、耦合帶寬和偏振無關等方面具有顯著優(yōu)勢。2019年,皇家墨爾本理工大學在Z切LNOI上制作了反向錐形耦合器[14],并使用模場直徑為2.5 μm的透鏡光纖進行實際通光測試,耦合損耗達到2.5 dB/面。同年,哈佛大學在X切LNOI平臺上制作出了雙層反向錐形耦合器[15],通過在垂直方向將2個反向錐形結構級聯(lián),完成了與透鏡光纖的耦合。2021年,華中科技大學制作了類似的雙層反向錐形耦合器[16],包層材料換為折射率可調的SiON,實現(xiàn)了與超高數(shù)值孔徑光纖(ultra-high numerical aperture,UHNA)的耦合。此外,浙江大學采用光纖拉錐設備對標準單模光纖(康寧SMF-28e)進行拉錐,借助拉錐結構實現(xiàn)了光纖與LNOI脊型波導的耦合,該方法的耦合效果較好,但對拉錐設備的拉錐精度和工藝要求較高[17]。

本文針對薄膜鈮酸鋰波導與超高數(shù)值孔徑光纖的端面耦合問題,從仿真設計、加工制備和測試3個方面展開研究。選擇的UHNA光纖的工作波長為1 500～2 000 nm、模場直徑為3.2 μm?；跁r域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法對反向錐形端面耦合器進行建模,采用SU8作為外包層,根據(jù)模式匹配效率和模式轉換效率2個評價參數(shù),優(yōu)化設計了反向錐形芯層結構和包層結構,仿真實現(xiàn)了LNOI矩形波導與超高數(shù)值孔徑光纖的高效耦合。確定了反向錐形耦合器的制備工藝流程,利用電子束曝光、電感耦合等離子體刻蝕等工藝,制備了反向錐形耦合器。設計并搭建了端面耦合器的測試平臺,對反向錐形耦合器進行了性能測試,實驗結果表明設計制作的反向錐形耦合器具有較好的耦合性能。

1 仿真設計與優(yōu)化

針對模場直徑為3.2 μm的超高數(shù)值孔徑光纖,基于FDTD軟件構建了反向錐形耦合器的模型,結構如圖1(a)所示。其主體結構包括鈮酸鋰反向錐形芯層和外包層2個部分,反向錐形寬端與LNOI矩形波導相連,且寬度和高度與矩形波導一致,反向錐形尖端在與UHNA光纖對接一側,反向錐形由LNOI頂層鈮酸鋰刻蝕而成,整體被外包層包裹且位于外包層水平中心。外包層材料為SU8聚合物,SU8是一種環(huán)氧型、負性光刻膠,可以作為低損耗波導材料,其物理化學性質穩(wěn)定,并且工藝制備過程相對簡單,僅通過紫外光刻工藝就可以得到包層結構,無須刻蝕工藝。

圖1 反向錐形耦合器的結構及模式轉換Fig.1 Schematic of structure and conversion process of the inverse-taper coupler

反向錐形耦合器的幾何特征是隨著耦合器長度的增加,反向錐形芯層的寬度逐漸增大,而高度不變。芯層對光場有較強的限制作用,傳輸過程中光場被束縛在芯層波導中心,且小尺寸的芯層波導對光的束縛能力較弱,匹配模場尺寸較大,而大尺寸的芯層波導對光的束縛能力較強,匹配模場尺寸較小,因此從反向錐形耦合器尖端到尾端,其匹配模場將逐漸縮小,如圖1(b)～(d)所示,因此隨著反向錐形逐漸拓寬至波導寬度,其對光場的束縛作用逐漸增強,分布在外包層的光場逐漸被束縛進波導之內,從而實現(xiàn)模場尺寸的轉換。

反向錐形耦合器與UHNA光纖耦合損耗主要體現(xiàn)在2個方面。一方面是反向錐形耦合器尖端端面與光纖端面的模場失配損耗,可利用光纖模場和波導模場的重疊積分表示模場匹配效率[18],可表示為

(1)

式中Ew(x,y)和Ef(x,y)分別為反向錐形耦合器尖端端面與光纖端面的模場分布。另一方面是光纖出射的模場經過尖端端面進入耦合器之后,為了完成模場變換需要傳輸一定的距離,這就會產生相應的傳輸損耗,可以利用模場轉換效率來η2表征,即

(2)

式中Pin和Pout分別為進入耦合器尖端和寬端的光功率。反向錐形耦合器的總效率為模場匹配效率和模場轉換效率的乘積,即Г=η1·η2,則對應的耦合損耗為-10 lgΓ。

反向錐形耦合器的主要結構參數(shù)包括反向錐形尖端寬度、反向錐形寬端寬度、反向錐形高度、反向錐形長度,以及SU8包層尺寸,其中反向錐形的高度與LNOI矩形波導的高度一致,寬端寬度與LNOI矩形波導的寬度相同。

由于采用頂層鈮酸鋰厚度為400 nm的X切LNOI晶圓制備脊型波導,通過兩側全刻蝕獲得矩形波導結構,為此矩形波導高度設置為400 nm。在此基礎上,通過仿真確定波導寬度,對LNOI矩形波導進行建模,根據(jù)現(xiàn)階段可實際刻蝕出的鈮酸鋰波導側壁角度,將模型中側壁角度設定為71°,在1 550 nm波長下計算不同波導寬度所對應的有效折射率,并求解單模條件下的模場分布,結果如圖2所示?？梢钥闯鲈?0～3 000 nm波導寬度范圍內,有效折射率隨波導寬度增加而增加,導模數(shù)量也隨之增加,當波導寬度超過740 nm時,第一個高階模出現(xiàn),所以將該臨界尺寸定義為一階模截止尺寸。考慮到實際制作中鈮酸鋰波導側壁傾角存在不確定性,波導寬度應該略小于一階模的截止尺寸,另一方面,考慮到波導寬度越小對導模支持越弱,傳輸損耗越高,因此波導寬度也不能太小,為確保同時滿足單模條件和低傳輸損耗,所以將LNOI 矩形波導寬度設置為620 nm。

圖2 LNOI 矩形波導寬度對有效折射率的影響和單模條件下模場分布Fig.2 Influence of the effective index on the width of the LNOI wire waveguide and the mode field distributions under single-mode condition

反向錐形耦合器旨在提升模場匹配效率和模場轉換效率,而模場匹配效率主要取決于反向錐形耦合器的尖端寬度和SU8包層的尺寸;模場轉換效率主要取決于影響模場轉換過程的反向錐形長度。為此對反向錐形尖端寬度、SU8包層尺寸、反向錐形長度3個參數(shù)進行了仿真優(yōu)化設計。

由于單模光纖端面模場分布是在水平和垂直方向對稱的高斯分布,因此設置SU8 包層具有相同的寬度和高度。假定反向錐形尖端寬度足夠小,即假設錐形尖端區(qū)域不存在光場束縛,在1～9 μm內分別改變SU8包層的寬度和高度,仿真計算不同條件下的模場匹配效率,結果如圖3所示。可以看出當SU8包層的寬度和高度均為4 μm時,模式匹配效率最高,因此將SU8包層寬度和高度確定為4 μm。

圖3 包層尺寸與模式匹配效率的關系Fig.3 Relation between mode matching efficiency and the dimension of SU8 cladding

在SU8包層寬度和高度確定的基礎上,進一步設計反向錐形耦合器尖端的寬度。改變反向錐形尖端的寬度,可獲得模式匹配效率隨之變化的關系,仿真結果如圖4所示,可以看出模式匹配效率隨錐形尖端寬度的減小而提升,這是由于錐形尖端寬度越小,被束縛在錐形尖端區(qū)域內的光場越少,包層中光場釋放越完全,與光纖模場尺寸越匹配。但是錐形尖端寬度不能無限縮小,因為尖端寬度越小,對掩膜制作和刻蝕工藝要求越嚴苛,結合目前鈮酸鋰材料的加工工藝水平,將反向錐形尖端寬度設置為80 nm。

圖4 反向錐形尖端寬度與模式匹配效率的關系Fig.4 Relation between the mode matching efficiency and the tip width of taper

根據(jù)上述SU8包層尺寸和反向錐形尖端寬度,可分析其端面的模場分布,并進一步計算UHNA光纖和反向錐形耦合器端面的模場重疊積分,得到兩者的端面模場匹配效率η1=92.1%。

在確定了反向錐形尖端寬度后,繼續(xù)分析反向錐形長度與模場轉換效率的關系。由于反向錐形寬端的高度和寬度已經確定,設置不同的反向錐形長度即可確定錐形區(qū)的幾何尺寸,進而可仿真計算反向錐形長度與模場轉換效率的關系,結果如圖5所示?？梢钥闯霎斿F形長度大于400 μm 時,模場轉換損耗變得非常小且趨于平坦,理論上錐形長度越長,模場轉換效率越高,但實際中受工藝水平影響,錐形側壁無法做到絕對光滑,那么錐形長度越長,因錐形側壁粗糙引入的散射損耗越多,考慮到既要完成平緩過渡,又不能引入過多散射損耗,將反向錐形長度設定為500 μm,此時反向錐形模場轉換效率η2=99%。至此,就確定了反向錐形耦合器的所有結構參數(shù)。

圖5 反向錐形長度與模場轉換效率的關系Fig.5 Modal conversion efficiency as the length of the inverse-taper

在上述條件下,反向錐形耦合器的總效率Г=91.2%,即耦合器的損耗為0.4 dB/面。由以上仿真結果可以確定反向錐形耦合器的結構參數(shù),如表1所示。

表1 反向錐形耦合器參數(shù)Table 1 Parameters of the inverse-taper coupler

最后,對反向錐形耦合器與UHNA光纖在水平和垂直方向上的對準偏差損耗進行仿真分析。偏差位移量與偏差損耗的關系如圖6所示,結果表明水平方向的3 dB對準容差為2.4 μm,垂直方向的3 dB對準容差為2.2 μm,并且對準容差在水平方向對稱,垂直方向不對稱,這是由于受自身端面結構影響,反向錐形耦合器端面模場分布只在水平方向對稱,在垂直方向不具有對稱性。

圖6 反向錐形耦合器的偏移損耗與偏移量的關系Fig.6 Offset loss dependence of the inverse-taper coupler on misalignment

2 耦合器的制備

反向錐形耦合器的制作可通過電子束曝光(electron-blocking layer,EBL)、感應耦合等離子體刻蝕、磁控濺射等技術完成,工藝流程如圖7所示。

圖7 反向錐形耦合器的制備工藝流程Fig.7 Fabrication process of the inverse-taper coupler

首先,利用磁控濺射技術在LNOI樣片頂層鈮酸鋰表面濺射一層金屬鉻作為掩膜層,在金屬鉻表面旋涂一層厚度不低于460 nm的正性電子束光刻膠,進行電子束直寫以定義反向錐形圖案,利用感應耦合等離子體刻蝕將反向錐形圖案向下轉移至鉻掩膜層并去膠,利用感應耦合等離子體刻蝕繼續(xù)將圖案向下轉移至鈮酸鋰層,之后使用主要成分為硝酸鈰銨和硝酸鉻的腐蝕液去除殘留的金屬鉻。去除殘余鉻掩膜后,得到反向錐形結構,然后旋涂SU8膠,利用對準版標對反向錐形結構進行SU8外包層套刻,顯影并堅膜后形成外包層,從而完成反向錐形端面耦合器的制備。

鈮酸鋰反向錐形尖端刻蝕和SU8外包層套刻是反向錐形耦合器制備過程中的2個關鍵工藝。值得注意的是,為了方便后續(xù)耦合效率的測試,在矩形波導兩端加工了對稱分布的2個反向錐形耦合器,因此通過以上工藝制備得到了雙端均為錐形耦合器的波導器件。利用電子掃描顯微鏡對制備出的反向錐形結構的2個尖端進行表征,結果如圖8所示,對尖端局部區(qū)域進行放大檢測,可得尖端寬度大約為96.86 nm,與理論值較為接近。

圖8 制作的2個錐形尖端掃描電鏡圖像Fig.8 SEM images of the two fabricated tips of taper

利用橢偏儀測量SU8膠的折射率,結果表明在波長1 550 nm處折射率為1.571。一般認為SU8在波長1 550 nm處折射率為1.573,實際測量結果與之基本一致。圖9(a)為SU8外包層套刻端面的表征結果,圖9(b)為SU8包層套刻效果的表征,可以看出端面處的SU8包層側壁垂直于襯底面,同時反向錐形位于SU8包層的中心區(qū)域。

圖9 SU8膠包層表征圖像Fig.9 Micrograph of the SU8 cladding

3 性能測試與分析

設計并構建了端面耦合測試平臺,對制作得到的雙端對稱反向錐形耦合器進行通光測試,在此基礎上依次測試了反向錐形耦合器的近場輸出光斑、耦合效率以及對準偏差損耗。

首先對反向錐形耦合器的近場輸出光斑進行測試與分析,搭建了近場輸出光斑測試系統(tǒng),結構如圖10所示。該系統(tǒng)中使用激光器(TLS150)輸出波長為1 550 nm、功率為16 dBm的光波,激光器光源通過裸纖適配器與單模光纖相連,經過耦合進入雙端對稱的反向錐形耦合器,之后利用Nikon 100倍顯微物鏡在反向錐形耦合器另一端接收光波,并聚焦進入光束質量分析儀,即可得到近場輸出光斑的模場分布,進而定量分析模場尺寸。

圖10 近場光斑測試系統(tǒng)示意Fig.10 Schematic of the near-field optical spot testing system

雙端對稱反向錐形耦合器的近場輸出光斑測試結果如圖11所示,其中圖11(a)為雙端對稱反向錐形耦合器輸出的端面模場分布圖,圖11(b)為輸出模場的三維分布,可以看到光場被有效地束縛在耦合器端面區(qū)域,圖11(c)～(d)分別為模場在水平方向和垂直方向的強度分布,模場直徑為光強降低到最大光強的1/e2處2點之間的距離,測量結果表明水平方向的模場直徑約為3.3 μm,垂直方向的模場直徑約為3.6 μm。

圖11 近場光斑分布測試結果Fig.11 Schematic of testing of distributions of the near-field optical spot

接下來,進行雙端對稱反向錐形耦合器與模場直徑為3.2 μm的UHNA光纖的耦合實驗,對兩者之間的耦合效率進行檢測,反向錐形耦合器耦合效率測試系統(tǒng)如圖12所示。該測試系統(tǒng)由激光器、多角度觀察系統(tǒng)、位移臺和光功率計組成。利用上述激光器(波長:1 550 nm,功率:16 dBm)通過裸纖適配器與單模光纖相連,調整光纖六維調節(jié)架和芯片四維調節(jié)架,依據(jù)多角度觀察系統(tǒng)完成UHNA光纖與反向錐形耦合器輸入端的對準耦合,在反向錐形耦合器的輸出端再次與另一根UHNA光纖對準耦合輸出,該UHNA光纖與裸纖適配器相連,最后將輸出光信號輸入到光功率計中?？梢?這里經過了2次光纖與反向錐形耦合器的耦合處理。

圖12 耦合效率測試系統(tǒng)示意Fig.12 Schematic of the coupling efficiency testing system

值得注意的是,除了光纖與反向錐形耦合器的端面耦合,該測試系統(tǒng)從激光器輸出到光功率的探測,還存在其他的多種損耗,如激光器、裸纖適配器與前端UHNA光纖之間的損耗,后端UHNA光纖與裸纖適配器、光功率計之間的連接損耗等。為了僅獲得單端反向錐形耦合器與UHNA光纖的耦合損耗,實驗中移除反向錐形耦合器,對測試光路系統(tǒng)的基礎損耗進行了多次測試,測試結果如表2所示,計算多次測量的平均值,可得測試光路系統(tǒng)的平均基礎損耗為6.97 dB。

表2 光路系統(tǒng)損耗測試結果Table 2 Experimental basic loss of the optical system

隨后,將雙端反向錐形耦合器放置在芯片夾具上,對其進行通光耦合測試,為了驗證反向錐形耦合器的穩(wěn)定性,通過上述相同的方法對其進行通光耦合測試,功率計示數(shù)如表3所示。據(jù)此可計算得到系統(tǒng)的總損耗,在此基礎上去除光路的平均基礎損耗,即可得到雙端耦合器經過2次耦合的損耗,取該損耗的一半,即可獲得單端耦合器的插入損耗,該插入損耗既包括端面的模式匹配損耗,又包括由傳輸導致的模場轉換損耗。計算得到兩端反向錐形耦合器的插入損耗平均為12.48 dB,因此可知單端插入損耗為 6.24 dB/面。多次測試的耦合損耗均方差為0.42 dB,說明反向錐形耦合器具有很好的工作穩(wěn)定性。

表3 反向錐形耦合器單端插入損耗測試結果Table 3 Experimental insertion loss of the inverse-taper coupler

最后,對反向錐形耦合器的3 dB容差進行測試,在水平方向和垂直方向分別以0.5 μm 步長移動光纖位置,并記錄每個位置處的耦合損耗。對準偏差測試結果如圖13所示,可以發(fā)現(xiàn)對準容差在水平方向對稱,垂直方向不對稱,3 dB對準容差在水平方向為3.0 μm,在垂直方向為3.2 μm,變化趨勢與仿真結果具有很好的一致性。

圖13 實驗測得的反向錐形耦合器偏移損耗與偏移量的關系Fig.13 Dependence of the experimental offset loss of inverse-taper coupler on misalignment

值得注意的是,與仿真數(shù)據(jù)進行比較,實際實驗檢測的反向錐形端面耦合器的損耗與相應仿真器件的損耗存在一定的差距,主要有兩方面因素。一是菲涅爾反射造成的反射損耗,在實際測試中并未滴加折射率匹配液,光纖與反向錐形耦合器端面間仍存在空氣間隙,兩者間的折射率差會造成一定的菲涅爾反射損耗。二是結構表面粗糙造成的散射損耗,仿真軟件是在忽略錐形結構表面粗糙的理想條件下進行的,而實際刻蝕得到的錐形結構在端面和側壁都存在一定粗糙度,因此在模場轉換過程中會造成一定的散射損耗。

4 結論

1) 利用FDTD軟件進行耦合器的建模和參數(shù)優(yōu)化,確定了反向錐形耦合器的結構參數(shù)。

2) 設計了反向錐形耦合器的制備工藝流程,基于電子束曝光、磁控濺射等關鍵工藝,制作了反向錐形耦合器。

3) 設計并搭建了端面耦合器的測試平臺,分別測試了反向錐形耦合器的近場輸出光斑、插入損耗以及對準偏差損耗。實驗結果表明設計制作的反向錐形耦合器具有較好的耦合性能。該研究為光纖與LNOI集成光子器件之間的耦合提供了一種高效的光接口方案。