基于MZI結(jié)構(gòu)的二氧化硅波導(dǎo)模式選擇開關(guān)

岳建波，孫小強(qiáng)，王曼卓，孫朝陽，姚振濤，張?jiān)?，王菲，張大?/p>

（吉林大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院 集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130012）

0 引言

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算等領(lǐng)域的不斷發(fā)展，人們對通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的多路信號(hào)復(fù)用技術(shù)，如波分復(fù)用（Wavelength-division Multiplexing，WDM）［1-3］、時(shí)分復(fù)用（Timedivision Multiplexing，TDM）［4-5］等，已無法滿足快速增長的數(shù)據(jù)處理速度和容量需求。近年來，模分復(fù)用（Mode-division Multiplexing，MDM）［6-7］技術(shù)作為解決這一問題的方法，受到的人們的廣泛關(guān)注。模分復(fù)用技術(shù)的優(yōu)勢在于，可以利用光的空間維度擴(kuò)展波長通道容量。為了實(shí)現(xiàn)片上模分復(fù)用系統(tǒng)，人們提出了不同的模式控制器件，如模式多路復(fù)用/解復(fù)用器［8］、模式轉(zhuǎn)換器［9］和模式開關(guān)［10-11］等。其中模式開關(guān)作為一種關(guān)鍵光子器件，具有對光信號(hào)進(jìn)行模式選擇和轉(zhuǎn)換的功能，對提高通信系統(tǒng)的靈活性、帶寬利用率和信號(hào)品質(zhì)具有重要作用。

目前，已報(bào)道的MDM 系統(tǒng)模式光開關(guān)主要結(jié)構(gòu)包括微環(huán)諧振器（Micro-Ring Resonator，MRR）［12］、多模干涉耦合器（Multimode Interference，MMI）［13-14］、定向耦合器（Directional Coupler，DC）［15-17］、馬赫曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometer，MZI）［18-19］等。每種結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣，微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，但較易受到環(huán)境溫度影響產(chǎn)生波長漂移，工作穩(wěn)定有待提高。多模干涉耦合器易于制備，工藝容差大，但損耗和串?dāng)_相對較高。定向耦合器結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高，但對工藝精度要求較高。馬赫曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)調(diào)制方便，光損耗較低，但對光的相位穩(wěn)定性要求較高。這些模式開關(guān)的調(diào)制方式主要基于電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和熱光效應(yīng)等。電光開關(guān)具有較快的響應(yīng)速度和較低的功耗，適用于高速光信號(hào)的切換；磁光開關(guān)功耗低、穩(wěn)定性好，適用于大規(guī)模集成和高容量的光路切換，但這兩種開關(guān)對制備工藝和工作電壓有一定要求。熱光開關(guān)制備工藝簡單、成本低，但速度較慢，適于光路保護(hù)和路由切換等場合。2019年，GAO Yang 等［20］提出了一種基于不對稱MZI 結(jié)構(gòu)的熱光模式開關(guān)，該模式開關(guān)采用聚合物材料制備，開關(guān)功率為15.4 mW，消光比為10.5 dB。2023年DING Yinzhi 等［21］提出一種基于MZI結(jié)構(gòu)的熱光模式選擇開關(guān)，采用二氧化硅材料制備，其開關(guān)功率為433.24～440.15 mW，消光比大于24 dB。上述工作中，聚合物材料具有較大的熱光系數(shù)，功耗較低，但是材料吸收導(dǎo)致的損耗相對較大。二氧化硅波導(dǎo)傳輸損耗很小，但是熱光系數(shù)相對較低，功耗較大，在大規(guī)模集成方面受到一定限制。

本文提出并制備了一種基于MZI結(jié)構(gòu)的二氧化硅波導(dǎo)模式開關(guān)，該模式開關(guān)可支持E00模式和E10模式選擇性輸出。采用三維有限差分束傳播方法（3DFD-BPM）對二氧化硅波導(dǎo)幾何參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值仿真，并對開關(guān)結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了優(yōu)化。利用二氧化硅的熱光效應(yīng)，通過調(diào)制臂波導(dǎo)上方的金屬移相器產(chǎn)生π 相移，從而實(shí)現(xiàn)E00和E10模式在兩個(gè)端口的選擇性輸出。通過波導(dǎo)兩側(cè)的空氣隔離槽提高熱調(diào)制效率，同時(shí)減小調(diào)制臂間的熱串?dāng)_。在1 550 nm 波長下，當(dāng)輸入E00模式時(shí)，串?dāng)_小于-17.13 dB，消光比大于16.7 dB，當(dāng)輸入E10模式時(shí)，串?dāng)_小于-19.84 dB，消光比大于22.5 dB，開關(guān)功耗為230 mW。本文提出的模式開關(guān)可應(yīng)用于片上MDM 系統(tǒng)中，用以增加光通信系統(tǒng)的信道容量。

1 仿真與設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的基于MZI結(jié)構(gòu)的二氧化硅波導(dǎo)模式開關(guān)如圖1所示，該模式開關(guān)由兩個(gè)非對稱定向耦合器組成，其中每個(gè)非對稱定向耦合器包括一個(gè)單模波導(dǎo)和一個(gè)多模波導(dǎo)。該非對稱定向耦合器是一個(gè)3 dB 模式分路器，用于將輸入模式均分為E00模式和E10模式。移相器用于改變單模波導(dǎo)中模式的相位。同時(shí)在移相器兩側(cè)引入了空氣槽，用來減小移相器引起的熱串?dāng)_，并提高熱場調(diào)制效率。圖1（b）所示是調(diào)制臂截面示意圖，，器件的上包層和下包層為低折射率二氧化硅，芯層為摻鍺的高折射率二氧化硅，芯層和包層折射率差為2%。在1 550 nm 下，器件芯層和包層的折射率分別為1.447 和1.474 1。上包層和下包層的厚度分別為20 μm 和10 μm，芯層波導(dǎo)的厚度Ha為4 μm。

圖1 模式選擇開關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of MZI mode selecting switch

在確定波導(dǎo)尺寸之前，計(jì)算了波導(dǎo)的有效折射率隨波導(dǎo)寬度的變化，結(jié)果如圖2所示。為了減小單模波導(dǎo)對偏振的依賴性，將單模波導(dǎo)的寬度Wa設(shè)置為4 μm，此時(shí)E00模式的有效折射率為1.462 0。為了使3 dB模式分路器能夠正常工作，多模波導(dǎo)中E10模式的有效折射率應(yīng)與單模波導(dǎo)中E00模式的有效折射率相匹配，因此多模波導(dǎo)的寬度Wb設(shè)置為9.9 μm。為了將輸入3 dB 模式分路器的模式均分為E00模式和E10模式，基于上述波導(dǎo)參數(shù)，采用三維有限差分光束傳播方法確定3 dB 模式分路器的耦合長度和耦合間距，將非對稱定向耦合器的耦合間距Gap3和直波導(dǎo)長度Lc分別設(shè)置為5.5 μm 和1 255 μm。

圖2 1 550 nm 波長下厚度為4 μm 的二氧化硅波導(dǎo)的有效折射率與寬度的關(guān)系Fig.2 Relationship between the effective refractive index and width of a silica waveguide with a thickness of 4 μm at 1 550 nm

開關(guān)工作時(shí)，電極驅(qū)動(dòng)功率確定為［22-23］

式中，?是熱光系數(shù)，Δn是折射率的變化，ΔT是溫度變化，Le是電極的長度，We是電極的寬度，K是熱導(dǎo)率，H是電極到芯層的距離，P是驅(qū)動(dòng)功率，其中，熱光系數(shù)?、熱導(dǎo)率K和距離H分別為1.19×10-5、1.3W·m-1·K-1和11 μm。在確定器件尺寸時(shí)，考慮到PLC 平臺(tái)的實(shí)際要求，將金屬移相器的長度Le和寬度We分別設(shè)置為3 520 μm 和21 μm。為了防止相鄰調(diào)制臂之間產(chǎn)生嚴(yán)重的熱串?dāng)_，將調(diào)制臂之間的間距Gap2設(shè)置為250 μm。同時(shí)，為了匹配雙通道光纖陣列的間距，將輸入波導(dǎo)間距和輸出波導(dǎo)間距Gap1也設(shè)置為250 μm?？諝獠鄣膶挾萕AT設(shè)置為35 μm，深度為35 μm，空氣槽是將上包層和下包層一起刻去，同時(shí)刻蝕掉一部分硅襯底。利用有限元法仿真模擬了在219.2 mW 功率下的加熱器的熱場分布圖，圖3（a）所示是傳統(tǒng)加熱器結(jié)構(gòu)的熱場分布圖，圖3（b）所示是引入空氣槽后，加熱器的熱場分布圖。從圖中可以看出，與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比，采用空氣槽結(jié)構(gòu)可以明顯提高熱場密度，減少熱量向兩側(cè)發(fā)散，提高熱調(diào)制效率，同時(shí)相鄰波導(dǎo)之間的熱串?dāng)_也得到了改善。另外，為了在多模波導(dǎo)中引入一固定的相位差，多模波導(dǎo)直波導(dǎo)臂設(shè)置為對稱的錐型波導(dǎo)，使到達(dá)第二個(gè)3 dB 模式分路器時(shí)的E00模式和E10模式時(shí)相位相同。錐型波導(dǎo)的寬度Wc設(shè)置為9.8 μm。該模式開關(guān)的總長度為13 240 μm。

圖3 加熱器的熱場分布Fig.3 Thermal field distribution of the heater

在上述確定的幾何尺寸下，為了確定模式開關(guān)在不同工作狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)功率，模擬仿真了傳輸損耗隨驅(qū)動(dòng)功率的變化。圖4（a）所示是當(dāng)輸入E00模式時(shí)，傳輸損耗與驅(qū)動(dòng)電壓的關(guān)系。在1 550 nm 處，當(dāng)E00模式進(jìn)入第一個(gè)3 dB 模式分路器后，會(huì)平均分為E00模式和E10模式，當(dāng)電極不工作時(shí)，兩個(gè)模式經(jīng)過第二個(gè)3 dB模式分路器后會(huì)耦合到多模波導(dǎo)中，從O2端口輸出E10模式，傳輸損耗為-0.052 dB，消光比和串?dāng)_分別為31.453 dB 和-28.265 dB。當(dāng)對電極施加219.2 mW 的功率后，會(huì)在兩種模式之間引入π 的相位差，然后在第二個(gè)3 dB 模式分路器中，兩種模式會(huì)耦合到單模波導(dǎo)中，從輸出O1輸出E00模式，傳輸損耗為-0.087 dB，消光比和串?dāng)_分別為28.23 dB 和-31.41 dB，模場分布圖如圖4（c）所示。同樣，當(dāng)向多模波導(dǎo)中輸入E10模式后，傳輸損耗與驅(qū)動(dòng)功率的關(guān)系如圖4（b）所示。電極不工作時(shí)，從O1輸出E00模式，傳輸損耗為-0.096 dB，消光比和串?dāng)_分別為30.694 dB 和-30.905 dB。當(dāng)電極工作功率為219.2 mW 時(shí)，從O2輸出E10模式，傳輸損耗為-0.056 dB，消光比和串?dāng)_分別為30.945 dB 和-30.734 dB，模場分布圖如圖4（d）所示。

圖4 器件的傳輸損耗和模場分布Fig.4 Transmission loss and mode field distribution of the device

考慮到測試中需要E10模式光，因此在輸入端引入一個(gè)非對稱定向耦合器，通過它可以將輸入的E00模式轉(zhuǎn)化為E10模式，結(jié)構(gòu)如圖5（a）所示。通過光束傳播法優(yōu)化后，耦合間距設(shè)置為3.2 μm，耦合長度設(shè)置為3 500 μm。圖5（b）所示是E00模式激發(fā)E10模式的光場分布，器件的耦合效率為99.7%。需說明的是，該高階模式轉(zhuǎn)換器僅是為了在表征器件的性能時(shí)采用。

圖5 E10模式激發(fā)裝置Fig.5 E10 mode excitation device

2 制備與測試

本文模式開關(guān)基于二氧化硅平臺(tái)規(guī)則設(shè)計(jì)和制備（河南仕佳光子）。首先，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法將低折射率二氧化硅沉積在清洗后的硅襯底表面作為下包層。然后使用化學(xué)機(jī)械拋光法來控制二氧化硅下包層的厚度和表面平整度，控制二氧化硅下包層的厚度為15 μm。二氧化硅芯層也是通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法來依次沉積，通過摻雜鍺元素調(diào)節(jié)二氧化硅芯層的折射率。通過控制二氧化硅芯層沉積速率，使高折射率二氧化硅芯層的厚度控制為4 μm。然后，通過紫外光刻和電感耦合等離子體蝕刻形成二氧化硅波導(dǎo)。之后，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在二氧化硅波導(dǎo)表面沉積低折射率二氧化硅上包層，再采用化學(xué)機(jī)械拋光方法研磨低折射率二氧化硅薄膜表面，形成15 μm 厚的二氧化硅上包層。金屬移相器采用磁控濺射法制備。制備的模式開關(guān)實(shí)物如圖6（a）所示，另外，還依次通過光刻和電感耦合等離子體蝕刻，形成35 μm 深的空氣隔離槽，如圖6（b）所示。考慮到實(shí)際工藝的精度和誤差，以及其他不確定因素可能會(huì)造成器件的初始工作狀態(tài)產(chǎn)生偏移。在實(shí)際制備器件時(shí)，分別在單模波導(dǎo)調(diào)制臂和多模波導(dǎo)調(diào)制臂上制備了電極，電極的參數(shù)相同。

圖6 制備的模式開關(guān)實(shí)物Fig.6 Diagram of the fabricated mode switch

器件測量裝置示意圖如圖7所示。來自可調(diào)諧激光器（TSL-550，Santec Ltd.，JP）的光通過偏振控制器之后耦合到二氧化硅波導(dǎo)中。通過調(diào)控三維耦合平臺(tái)的位置，使輸入光纖和輸出光纖與二氧化硅波導(dǎo)端口對齊。輸出光通過單模光纖耦合到光功率計(jì)（MPM-210H，Santec Ltd.，JP）中，測量輸出功率。來自信號(hào)發(fā)生器（Keithley 2450，SourceMeter Ltd.，US）的外部電驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過金屬探針施加到金屬電極上。示波器（DS1202，Rigol Ltd.，CN）與光電探測器級(jí)聯(lián)，對器件的開關(guān)響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行表征。

圖7 測量裝置示意圖Fig.7 Schematic diagram of the measurement device

為了表征制備的器件的工作帶寬，掃描所制備的器件在1 530 nm 到1 565 nm 波長下的插入損耗。當(dāng)來自可調(diào)諧激光器的光信號(hào)耦合至單模波導(dǎo)中，且沒有施加電壓時(shí)，從多模波導(dǎo)輸出E10模式，在1 550 nm 波長下，插損為-4.0 dB，串?dāng)_為-18.71 dB，消光比為16.7 dB，在c 波段，最差的串?dāng)_為-14.13 dB，消光比大于8.03 dB。當(dāng)電功率為230 mW 時(shí)，從單模波導(dǎo)輸出E00模式，在1 550 nm 波長下，插損為-3.5 dB，串?dāng)_為-17.13 dB，消光比為19.14 dB。在1 530 nm 到1 565 nm 波長范圍內(nèi)，最差的串?dāng)_為-8.66 dB，消光比大于14.75 dB，如圖8（a）所示。類似，當(dāng)光耦合到多模波導(dǎo)中時(shí)，默認(rèn)狀態(tài)下，在1 550 nm 波長處，插損為-14.97 dB，串?dāng)_為-19.84 dB，消光比為22.5 dB。在1 530 nm 到1 565 nm 波長范圍內(nèi)，串?dāng)_小于-8.71 dB，消光比大于14.93 dB。當(dāng)電功率為230 mW，在1 550 nm 波長下，插損為-7.42 dB，串?dāng)_為-30.05 dB，消光比為27.39 dB。在1 530 nm 到1 565 nm 波長范圍內(nèi)，串?dāng)_小于-22.84 dB，消光比大于18.86 dB，如圖8（b）所示。

圖8 器件在1 530 nm～1 565 nm 波長下的插入損耗Fig.8 Insertion loss of the device at 1 530 nm～1 565 nm

為了表征設(shè)備的動(dòng)態(tài)特性，輸出光被耦合到光電探測器中。該探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并在數(shù)字示波器（DS1202，Rigol Ltd.，CN）上顯示。加載到電極加熱器上的電信號(hào)是頻率為200 Hz 的方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。輸入電信號(hào)和輸出光功率信號(hào)波形分別圖9所示。測得模式開關(guān)的上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為0.7 ms和1 ms。

圖9 制備模式開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間Fig.9 Response time of the prepared mode switch

測量的數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果存在一定差距，并且在輸入E10模式狀態(tài)下的損耗比輸入E00模式狀態(tài)下?lián)p耗大。這主要是由于工藝誤差以及用于產(chǎn)生E10模式的耦合器所帶來影響造成的。因定向耦合器結(jié)構(gòu)對工藝的要求很嚴(yán)格，耦合間距和耦合長度的變化都將不可避免地在輸出端帶來一些多余的串?dāng)_，從而使功率損耗惡化。下一步可通過測試結(jié)果來優(yōu)化器件的參數(shù)和結(jié)構(gòu)獲得更好的性能。

本文所提出熱光模式開關(guān)與其他文獻(xiàn)報(bào)道的模式開關(guān)性能對比如表1所示。與已有工作相比，本文制備器件的消光比更大，為16.7 dB，這主要是由于二氧化硅波導(dǎo)相對較高的工藝精度，以及二氧化硅波導(dǎo)低損耗特性。此外，本文模式開關(guān)的功耗相對較大，開關(guān)時(shí)間相對較長，這主要是因?yàn)槎趸璨▽?dǎo)的熱光系數(shù)較低，同時(shí)上包層和芯層距離較大，下一步可通過采用聚合物作為上包層來降低器件的開關(guān)功耗和響應(yīng)時(shí)間。

表1 本文提出的熱光模式開關(guān)與已報(bào)到的模式開關(guān)性能對比Table 1 Performance comparison between the proposed thermo-optic mode switch and the reported mode switches

3 結(jié)論

本文提出了一種基于MZI結(jié)構(gòu)的二氧化硅波導(dǎo)模式開關(guān)，該器件由兩個(gè)多模波導(dǎo)和單模波導(dǎo)形成的非對稱定向耦合器連接組成。二氧化硅波導(dǎo)芯層和包層折射率差為2%。使用金屬電極產(chǎn)生的熱場改變二氧化硅波導(dǎo)的有效折射率，從而使單模波導(dǎo)的E00模式和多模波導(dǎo)的E10模式在不同的輸出端口切換和輸出。同時(shí)引入空氣隔離槽提高熱調(diào)制效率和減小調(diào)制臂間的熱串?dāng)_。在1 550 nm 處，開關(guān)功率為230 mW，開關(guān)的上升時(shí)間和下降時(shí)間分別為0.7 ms和1 ms，消光比大于16.7 dB，串?dāng)_小于-14.97 dB。在1 530～1 565 nm 范圍內(nèi)，最差串?dāng)_為-8.66 dB，消光比大于8.03 dB。與已報(bào)道的的模式開關(guān)相比，其具有較低的波導(dǎo)損耗和更好的穩(wěn)定性，制備方法與CMOS 工藝相兼容，與光纖耦合損耗小，在片上模分復(fù)用系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。