基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的電光調(diào)諧光柵輔助定向耦合器研究

李俊慧，姚昊，鄧佳瑤，陳開鑫

（電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

0 引言

光柵輔助定向耦合器（Grating-assisted Directional Coupler，GADC）是一種重要的光波導(dǎo)器件，該器件通過引入光柵結(jié)構(gòu)補償兩波導(dǎo)中模式間失配的相位，使得不能耦合的兩波導(dǎo)模式實現(xiàn)基于相位匹配的高效耦合［1-2］。按照所采用的光柵類型以及耦合光波的傳播方向，GADC 可分為布拉格光柵輔助的反向耦合器［3-13］和長周期光柵（Long Period Gratings，LPG）輔助的同向耦合器［14-20］。由于GADC 不但具有結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、功能眾多，波長選擇性好等優(yōu)點，而且可將光柵與定向耦合器的優(yōu)異特性集于一身，實現(xiàn)單獨光柵或定向耦合器難以實現(xiàn)的功能。因此自1985年SYMS R R A 提出這一器件以來便受到了廣泛關(guān)注［1］。經(jīng)過多年的研究，利用GADC 已實現(xiàn)包括反向光耦合器［3，4］，光上下路濾波器［5-8，15］，光延遲線［10］，波分復(fù)用器［11，12，16］，模分復(fù)用器［13，20］，濾波器［14，17，18］，濾模器［19］等一系列光波導(dǎo)器件。

可調(diào)諧性是提升器件性能，實現(xiàn)器件重構(gòu)特性，以及彌補器件制作工藝誤差、降低制作工藝要求的關(guān)鍵所在。可調(diào)諧性的實現(xiàn)通常依賴于電光效應(yīng)與熱光效應(yīng)，這其中基于電光效應(yīng)的電光調(diào)諧具有高速、低功耗的特點。電光調(diào)諧的波導(dǎo)光柵已經(jīng)基于電光聚合物［21］，絕緣體上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）［22］，鈮酸鋰［23］，及混合玻璃波導(dǎo)/液晶［24］等材料平臺實現(xiàn)，但受限于材料與器件結(jié)構(gòu)兩方面，上述器件的調(diào)諧效率通常低于100 pm/V。此外，電光調(diào)諧的GADC 也已經(jīng)利用半導(dǎo)體材料InGaAsP/InP 實現(xiàn)［17］，但InP 較小的電光系數(shù)導(dǎo)致其調(diào)諧效率較低。盡管我們利用鈮酸鋰制作的GADC 在采用推挽式電極時實現(xiàn)了1.195 nm/V的調(diào)諧效率［25］，但是所采用的質(zhì)子交換鈮酸鋰波導(dǎo)具有較小的折射率差，因此器件具有較大的尺寸，不利于集成和小型化應(yīng)用。而鈮酸鋰薄膜作為一種優(yōu)異的新材料，不但保持了鈮酸鋰較大的電光效應(yīng)，而且能實現(xiàn)高折射率差光波導(dǎo)，十分有利于發(fā)展緊湊的電光調(diào)諧的光波導(dǎo)器件，近年來廣受關(guān)注［26-27］?；阝壦徜嚤∧さ母咚僬{(diào)制器［28-29］、高Q 值微環(huán)振蕩器［30］、布拉格光柵濾波器［31］、光交錯濾波器［32］，模式復(fù)用（解復(fù)用）器［33］等已相繼報道。

1 器件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

圖1 本文提出的鈮酸鋰薄膜GADC 器件結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of the proposed GADC structure

圖2 不同刻蝕深度he（=150 nm，170 nm，200 nm）下，準(zhǔn)TE 模式在1 550 nm 波長的色散曲線Fig.2 Dispersion of the q-TE modes calculated as functions of the waveguide width w at 1 550 nm wavelength for different etching depths of he（=150 nm，170 nm，200 nm）

計算得到在中心波長為1 550 nm 時光柵的周期Λ=45.7 μm。

圖3 LPWG 取不同周期數(shù)N 時 模式在GADC 的TMW 中的傳輸譜Fig.3 Transmission spectra of the TMW of the GADC for the mode at different period number N of the LPWG

圖4 仿真計算的所設(shè)計的GADC 在1 550 nm 波長的傳輸Fig.4 Simulated propagation dynamics of the designed GADC at 1 550 nm wavelength

基于以上仿真參數(shù)，對于特定的波長，在側(cè)壁LPWG 的作用下非對稱定向耦合器兩個波導(dǎo)臂中的基模能夠發(fā)生完全耦合，而兩波導(dǎo)內(nèi)其余模式之間不發(fā)生耦合，利用該特點可以實現(xiàn)濾波或濾模功能。本文采用集總式調(diào)諧電極，根據(jù)如圖1所示的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及上述波導(dǎo)參數(shù)，兩電極寬度we1均設(shè)定為200 μm，電極間距wg設(shè)定為5.0 μm，電極長度為1 mm。

2 器件的制備

本文提出的GADC 采用濟南晶正電子科技有限公司生產(chǎn)的600 nm 厚x切鈮酸鋰薄膜制作，波導(dǎo)沿y方向布置。首先采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻與化學(xué)腐蝕工藝將設(shè)計的GADC 圖案轉(zhuǎn)移到鉻膜上，然后通過質(zhì)子交換和感應(yīng)耦合等離子體刻蝕（Inductively Coupled Plasma，ICP）制作得到薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)。采用臺階儀（XP-2）測試得到刻蝕的脊深為205 nm。為了提高耦合效率，波導(dǎo)輸入/輸出端設(shè)計制作了漸變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩端寬度緩慢擴大到4 μm；完成波導(dǎo)制作后，利用電子束蒸發(fā)及電鍍工藝并通過精確對版光刻制作了厚度約為1 μm、長度為1 mm 的鈦金電極。為了降低金屬電極對光的吸收損耗，制作電極前，首先利用PECVD 在波導(dǎo)表面生長了一層約為300 nm 厚的SiO2作為緩沖層。所制作的芯片在兩端進行切割、研磨、拋光后，經(jīng)測試其長度大約為10 mm。需要指出的是，為了方便制作與測試，我們實際制作的器件遠(yuǎn)大于設(shè)計的GADC 的長度，增加的長度主要是器件的輸入輸出端。最后考慮到LPWG 的諧振波長對光柵周期非常敏感，同時也考慮到分析設(shè)計及制作工藝均存在誤差，我們在同一鈮酸鋰基底上設(shè)計、制作了一系列不同周期，但周期數(shù)均為17 的GADC。所制作的芯片樣品如圖5（a）所示，圖5（b）是所制作的LPWG 的顯微照片，圖5（c）是所制作的調(diào)諧電極的顯微照片。

圖5 制作的GADC 器件的實物Fig.5 Photograph of the fabricated GADC chip

3 器件測試分析

圖6 當(dāng)寬帶基模光信號分別耦合進入所制作的GADC 的TMW 與SMW 時，在輸出端測量得到的歸一化傳輸譜Fig.6 Normalized transmission spectra of our typical fabricated GADC when broadband light at fundamental mode was launched into the TMW and the SMW，respectively

圖7 不同波長的激光進入所制作的TMW 中，監(jiān)測到輸出端的近場光斑Fig.7 Output near-field patterns taken at the output of the TMW and the SMW of our typical fabricated GADC

為了方便進行器件的電光調(diào)諧及溫度特性測試，在完成近場光斑測試后，將芯片進行了簡單的光電封裝。這里，我們僅針對上述測試中效果較好的一個GADC 芯片采用上述高數(shù)值孔徑光纖與波導(dǎo)兩端進行光學(xué)耦合對準(zhǔn)，在調(diào)節(jié)六維調(diào)節(jié)架同時觀察光譜儀接收到的光譜情況，達到最佳效果時，進行紫外點膠曝光，耦合好的芯片粘接在玻璃片上，并通過金絲鍵合進行電極導(dǎo)線的連接，實現(xiàn)外部加載電壓信號的功能，封裝后的芯片如圖8所示。

圖8 封裝后的GADC 芯片的照片F(xiàn)ig.8 Photograph of the packaged GADC chip

為了獲取電光調(diào)諧特性，在電極上加載了不同的電壓信號，并用光譜分析儀記錄相應(yīng)的傳輸譜。為方便描述，這里我們定義圖1（a）中上方電極連接電源正極，下方電極連接電源負(fù)極時的電壓為正電壓，反之為負(fù)電壓。圖9（a）與（b）給出了測試所得的Ez11T模式在TMW 的歸一化傳輸譜。從圖9（a）可以看出，隨著調(diào)諧電壓從0 V 增大到10 V，傳輸譜阻帶中心波長從1 595.3 nm 紅移到1 599.0 nm，隔離度由14.8 dB 下降到9.3 dB。而從圖9（b）可以看出，當(dāng)施加反向調(diào)諧電壓從0 V 變化到-8 V 時，阻帶波長從1 595.3 nm 藍移到1 592.3 nm。當(dāng)電壓為-2 V 時，可在1 594.5 nm 波長處實現(xiàn)20.7 dB 的最大隔離度。圖9（c）給出了阻帶中心波長隨調(diào)諧電壓變化情況，18 V 的調(diào)諧電壓可實現(xiàn)阻帶中心波長移動6.7 nm，其調(diào)諧效率約為0.38 nm/V。

圖9 所制作的典型的GADC 器件的TMW 在不同調(diào)諧電壓的歸一化傳輸譜及其阻帶中心波長隨調(diào)諧電壓的變化Fig.9 Normalized transmission spectra of the TMW of our typical fabricated GADC measured at different tuning voltages and variation of the center wavelength with the tuning voltage

圖10 所制作的典型的GADC 器件的SMW 在不同調(diào)諧電壓的歸一化傳輸譜及其阻帶中心波長隨調(diào)諧電壓的變化Fig.10 Normalized transmission spectra of the SMW of our typical fabricated GADC measured at different tuning voltages and variation of the center wavelength with the tuning voltage

完成了上述測試后，我們對電光調(diào)諧范圍較寬的TMW 通道進行了溫度性能測試，將GADC 置于熱板上，通過熱板加熱，測量了溫度從25 ℃（室溫）變化到50 ℃時的傳輸譜變化情況，其結(jié)果如圖11（a）所示?？梢钥闯?，在溫度增加的過程中，傳輸譜阻帶發(fā)生了紅移，波長由1 595.3 nm 向長波長方向移動到1 598.8 nm，熱調(diào)諧效率為0.14 nm/℃。

圖11 所制作的GADC 器件的TMW 在不同環(huán)境溫度下的歸一化傳輸譜及其阻帶中心波長隨環(huán)境溫度的變化Fig.11 Normalized transmission spectra of the TMW of our typical fabricated GADC measured at different temperature and variation of the center wavelength with the ambient temperature

4 結(jié)論

本文設(shè)計、制作了一種電光調(diào)諧的側(cè)壁LPWG 輔助的鈮酸鋰薄膜光波導(dǎo)定向耦合器，器件的耦合區(qū)域長度僅為816 μm。測試結(jié)果表明所制作的耦合器的TMW 在波長為1 595.3 nm 處可實現(xiàn)14.8 dB 的隔離度，并且經(jīng)調(diào)諧后可在1 594.5 nm 波長處實現(xiàn)20.7 dB 的最大隔離度。器件的TMW 與SMW 兩個通道的電光調(diào)諧效率分別為0.38 nm/V 和0.29 nm/V，而TMW 通道的熱調(diào)諧效率為0.14 nm/℃（25 ℃～50 ℃）。我們提出的GADC 具有緊湊的結(jié)構(gòu)和較好的電光調(diào)諧性能，可應(yīng)用于高速可調(diào)諧濾波、濾模、電光調(diào)制及高靈敏度溫度傳感等場景。