基于相位切趾調(diào)制的非對稱結(jié)構(gòu)光柵濾波器設(shè)計(jì)與制備

中圖分類號： TN256 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design and fabrication of asymmetric grating filter based on phase apodization modulation

JIANG Wei， YUAN Shuo，YU Zhiheng，YANG Cunliang，REN Wenbo，XIA Xincheng， WANG Zhengjie， FENG Jijun （SchooolofOptical-Electricaland Computer Enginering，Universityof Shanghai forScienceand Technology，Shanghai 200093，China）

Abstract： In this work， phase apodized silicon Bragg grating filters with varying sidewall ridge width and location were investigated， while the resonance wavelength， extinction ratio and rejection bandwidth could be tuned flexibly. The grating filters with a waveguide width of 500nm and grating period of 400nm were fabricated and characterized for a proof of concept. The resonance wavelength of the device could be shifted by 4.54nm with varying the sidewall ridge width from 150 to 250nm . The corresponding rejection bandwidth could be tuned from 1.19 to 2.03nm by applying a sidewall ridge location offset from 50 to 200nm . The experimental performances coincide well with the simulation results. The presented sidewal ridge modulated apodized grating filter can be expected to have great application prospects for optical communications and semiconductorlasers.

Keywords： apodized Bragg grating; sidewall ridge; grating filter; silicon photonics

引言

基于絕緣體上硅（silicon-on-insulator，SOI）的集成光子器件因其制造工藝與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）具有兼容性，同時(shí)對光場具有強(qiáng)限制性且結(jié)構(gòu)緊湊，近年來引起了廣泛關(guān)注[-3]。因此其已在光學(xué)濾波器[4]、高速調(diào)制器[5]、光學(xué)傳感、波分復(fù)用器件等方面得到了廣泛應(yīng)用。其中硅光濾波器是光通信系統(tǒng)中的重要器件，而布拉格光柵可以將特定波長的入射光反射到其輸入端口，同時(shí)透射其他波長的光，因此作為濾波器件得到了廣泛應(yīng)用。此時(shí)布拉格光柵可以通過設(shè)計(jì)特定的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所需的光譜特性[8-9]，這使得其在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有較強(qiáng)的靈活性。根據(jù)結(jié)構(gòu)特征，這些光柵可從結(jié)構(gòu)分為在水平方向上具有對稱或不對稱上下兩側(cè)脊的條形波導(dǎo)[10]

對于傳統(tǒng)的對稱光柵濾波器，抑制帶寬需要通過改變光柵長度來實(shí)現(xiàn)，而它的諧振波長取決于光柵周期。因此，在調(diào)節(jié)抑制帶寬與諧振波長時(shí)，往往需要在插入損耗和抑制帶寬之間進(jìn)行權(quán)衡[1]。而基于非對稱光柵側(cè)壁的相位切趾技術(shù)被廣泛認(rèn)為是調(diào)節(jié)光柵濾波器光譜的一種有前途的方法[12-13]。該方法通過改變光柵脊的位置，通常能夠使抑制帶寬變窄。本文研究了基于多模波導(dǎo)的非對稱光柵[14-15]，通過增加脊位置偏移，可以實(shí)現(xiàn)抑制帶寬的增大。這種現(xiàn)象與單模波導(dǎo)位置偏移會抵消諧振效應(yīng)的情況相反， π 相位偏移通常會使反射峰消失。為了充分了解基于多模波導(dǎo)的布拉格光柵的調(diào)制特性，研究了兩側(cè)脊寬度非對稱和相對位置偏移對光柵濾波器性能的影響，這可以為光柵濾波器提供更多的設(shè)計(jì)靈活性。不同于利用硅波導(dǎo)的熱光與電光效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)對光柵參數(shù)的主動調(diào)節(jié)，該光柵通過改變光柵側(cè)壁脊參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對多個(gè)光柵參數(shù)的精確控制。

本文提出了一種非對稱側(cè)壁脊波導(dǎo)光柵濾波器，通過對光柵側(cè)壁脊寬度與橫向位移的調(diào)制，設(shè)計(jì)了一種硅基切趾布拉格光柵濾波器，并詳細(xì)研究了光柵側(cè)壁脊寬度和相對位置對光柵濾波器光譜的影響。通過控制光柵的有效折射率和耦合系數(shù)，可以靈活地調(diào)節(jié)抑制帶寬和諧振波長。然后，制作了波導(dǎo)寬度為 500nm 、周期為 400nm 的光柵濾波器，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了側(cè)壁脊變化對光柵性能的影響。

1器件設(shè)計(jì)與原理

所提出的非對稱波導(dǎo)光柵濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它是兩側(cè)壁上具有矩形脊的條形硅波導(dǎo)，包層為二氧化硅。條形波導(dǎo)的寬度（ （W） 和高度分別為 500nm 和 220nm 。整個(gè)光柵區(qū)域的長度 （L） 為 300μm ，周期 （?_A） 為 400nm 。 P₁ 和 P₂ 分別是光柵兩側(cè)脊的寬度，側(cè)壁脊的刻蝕深度 （ΔW） 為 25nm 。 ΔP 是光柵兩側(cè)脊之間的相對位置偏移。因此，該光柵可以沿水平方向分為兩個(gè)不對稱的子光柵區(qū)域。

光柵的工作原理可以用耦合模理論進(jìn)行解釋[16-17]。對于多模波導(dǎo)，為輸人光波長在條形波導(dǎo)中激發(fā)的 TE₀ 模滿足相位匹配條件時(shí)，光柵會將其反向耦合成 TE₁ 模至輸入端口；當(dāng)波長不滿足相位匹配條件時(shí)， TE₀ 模在通過光柵傳播時(shí)保持不變并直接在輸出端口輸出[18]。 TE₀ 和TE₁ 模耦合所需要滿足的相位匹配條件[]為

式中： n_eff0 和 n_eff1 分別為 TE₀ 和 TE₁ 模的有效折射率； λ_B 為光柵諧振波長。

TE₀ 和 TE₁ 模之間的耦合系數(shù)通常由 κ 表示，同時(shí) κ 也可用于表示光柵耦合強(qiáng)度。對于基于多模波導(dǎo)的側(cè)壁調(diào)制布拉格光柵來講，光柵兩側(cè)脊的相對位置偏移將影響光柵耦合強(qiáng)度， κ 可表示為[20]

式中， 2πΔP/λ 是光柵兩側(cè)脊之間的相移。通過改變上下兩側(cè)脊之間的相位即可對光柵耦合系數(shù) κ 進(jìn)行調(diào)節(jié)，這是一種側(cè)壁脊橫向偏移切趾調(diào)制技術(shù)。 κ₀ 為光柵的最大耦合系數(shù)，因?yàn)樵诙嗄２▽?dǎo)的情況下，條形波導(dǎo)中的 TE₀ 和 TE₁ 階模的相位是相反的，因此當(dāng) ΔP=λ/2 ，光柵兩側(cè)脊完全反相的情況下，光柵耦合系數(shù)最大。

布拉格光柵的抑制帶寬 （Δλ） 取決于光柵耦 合系數(shù)κ，△可近似為[21]

式中， n_group 是波導(dǎo)光柵的群折射率的平均值。當(dāng)耦合系數(shù)減小時(shí)，光柵的抑制帶寬也會相應(yīng)減小。因此光柵耦合系數(shù) κ 與抑制帶寬可以通過側(cè)壁脊橫向偏移切趾調(diào)制技術(shù)來調(diào)節(jié)。

光柵脊的寬度對光柵的影響可以通過有效折射率進(jìn)行理解。將光柵看作受側(cè)壁矩形脊擾動的條形波導(dǎo)，因此帶有側(cè)壁脊和不帶有側(cè)壁脊的區(qū)域具有不同的有效折射率。當(dāng)側(cè)壁脊寬度不對稱 （P₁≠P₂） 時(shí)，光柵的平均有效折射率 n_eff 可表示為[22]

式中， n_effA 、 n_effB 和 n_effC 分別為光柵條形波導(dǎo)具有雙側(cè)脊、單側(cè)脊和不具有脊的區(qū)域的3種有效折射率，如圖1所示，A、B、C表示在兩側(cè)不對稱時(shí)，這3個(gè)不同區(qū)域在1個(gè)周期內(nèi)的長度。對于波導(dǎo)來說，其有效折射率 N 為

式中： n 為硅波導(dǎo)的折射率； k₀ 為光在自由空間的波數(shù)。而 k_x 與波導(dǎo)寬度有關(guān)，且有效折射率N 會隨著寬度增大而逐漸增大。因?yàn)樯鲜?個(gè)區(qū)域具有不同的波導(dǎo)寬度，這會影響每個(gè)區(qū)域的有效折射率，所以會存在不同的 n_effA?n_effB 和 n_effC 值，且當(dāng)條形波導(dǎo)具有兩側(cè)脊的時(shí)候有效折射率最大。因此在計(jì)算光柵周期的整體有效折射率時(shí)，需要考慮到這些區(qū)域在光柵周期內(nèi)的占比。

通過有限差分時(shí)域法（finitedifferencetimedomain，F(xiàn)DTD）對非對稱光柵濾波器進(jìn)行了仿真。條形波導(dǎo)尺寸采用圖1中所示的波導(dǎo)參數(shù)。固定其中一側(cè)脊的寬度，使 P₁=200nm ，改變另一側(cè)脊的寬度，使 P₂ 在150，200和 250nm 之間變化，以查看側(cè)壁脊寬度對共振波長的影響。同時(shí)，令 ΔP 在 0～200nm 范圍內(nèi)變化，以觀察側(cè)壁脊偏移對光柵消光比和抑制帶寬的影響。光柵濾波器的仿真透射和反射光譜如圖2所示。圖2（a）展示了 P₁=200nm 、 P₂=200nm 和 ΔP=200nm 的光柵濾波器的光譜。圖2（b）展示了當(dāng) P₁ 和 P₂ 都是 200nm 的情況下，僅改變 ΔP 時(shí)的透射光譜。當(dāng) ΔP=200nm 時(shí)，兩側(cè)脊完全反相，仿真結(jié)果表明，此時(shí)濾波器的抑制帶寬為 2.76nm ，消光比約為 15.79dB 。隨著ΔP 減小，抑制帶寬逐漸變窄。當(dāng)脊位置偏移為

50nm 時(shí)，仿真結(jié)果顯示抑制帶寬為 1.65nm ，消光比為 3.61dB 。圖2（c）展示出了 P₂ 分別為150，200和 250nm 時(shí)的透射光譜，其中 ΔP= 200nm 且 P₁=200nm 。由于平均有效折射率隨 P₂ 增加，相應(yīng)的共振波長分別為1553.36，1555.91和 1557.82nm 。上述仿真結(jié)果表明，光柵濾波器諧振波長、消光比和抑制帶寬可以通過側(cè)壁脊的寬度和位置進(jìn)行精確控制。

2器件制備與表征

為了驗(yàn)證原理與仿真結(jié)果，采用標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)CMOS設(shè)備以及紫外光刻技術(shù)制造了光柵濾波器芯片。光柵濾波器芯片的顯微鏡圖如圖3所示，為了便于與透鏡光纖陣列更好地進(jìn)行側(cè)壁耦合，每個(gè)光柵制造在具有間隔 127nm 的輸人和輸出直波導(dǎo)的U形結(jié)構(gòu)上，圖3中白色虛線框的波導(dǎo)位置即為光柵具體制造區(qū)域。圖4為光柵濾波器芯片的掃描電子顯微鏡（scanningelectronmicroscope，SEM）圖像，展示了圖3中白色虛線框區(qū)域的直波導(dǎo)與光柵的局部放大圖。圖4（a）與（b）展示了 P₁=200nm 、 P₂=200nm 且 ΔP 分別為0和 200nm 的光柵。圖4（c）與（d）展示了 P₁=200nm 且 ΔP=200nm ，但 P₂ 分別為150和 250nm 的光柵。

光柵濾波器芯片測試采用可調(diào)諧激光器作為光源，并將其與偏振控制器連接，然后通過環(huán)形器的透射端連接至透鏡光纖陣列，并通過側(cè)壁耦合的方式將光耦合到波導(dǎo)中。芯片上方會放置電荷耦合元件（chargecoupleddevice，CCD）來實(shí)時(shí)監(jiān)測耦合情況，便于側(cè)壁耦合對準(zhǔn)。同時(shí)，經(jīng)過光柵輸出的光通過 10：90 分束器，將 10% 的光輸人至光功率計(jì)用于查看耦合效率，另外90% 用于測量透射光譜。最后透射光與環(huán)形器反射端輸出的反射光經(jīng)由光開關(guān)分別輸入至光譜儀中來表征歸一化的光譜。

光柵濾波器芯片的歸一化測試光譜如圖5所示。圖5（a）展示了 P₁=200nm 、 P₂=200nm 和 ΔP=200nm 情況下光柵濾波器的透射峰和反射峰。圖5（b）展示了光柵兩側(cè)脊寬度固定為200nm 時(shí)，不同側(cè)壁脊位置偏移的透射光譜。當(dāng) ΔP=200nm（λ/2） 時(shí)，最大透射抑制帶寬為2.1nm ，消光比約為 8.79dB 。隨著 ΔP 逐漸減小，抑制帶寬逐漸變窄，當(dāng) ΔP=50nm 時(shí)，抑制帶寬為 1.19nm 。這證明了改變側(cè)壁脊位置偏移可以有效控制光柵濾波器的抑制帶寬和消光比。對于 P₂=150 和 250nm 且側(cè)壁脊相對位置偏移為 200nm 的光柵來說，最大抑制帶寬分別為1.98和 1.94nm ，消光比分別為7.86和7.82dB ，如圖5（c）所示。對于 P₂=150 ，200和250nm 的光柵，測得的共振波長分別為1514.24，1517.05和 1518.78nm 。結(jié)果表明，諧振波長可以通過改變光柵側(cè)壁脊寬度來控制，同時(shí)也會略微改變抑制帶寬和消光比。因此，通過調(diào)制側(cè)壁脊的位置和形狀，可以提升光柵濾波器的設(shè)計(jì)靈活性。本文進(jìn)一步對比了已報(bào)道的相關(guān)濾波器參數(shù)，如表1所示。本文提出的一種相位切趾調(diào)制的非對稱結(jié)構(gòu)光柵濾波器可以同時(shí)對光柵的抑制帶寬，諧振波長和消光比有一個(gè)良好的控制效果，在窄帶寬濾波調(diào)制方面具有很高的靈活性。

需要注意的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真光譜之間仍存在一些差異，例如共振波長存在偏差。這可能是由于側(cè)壁脊形狀造成的。如圖4所示，制造誤差導(dǎo)致光柵側(cè)壁脊形狀變成了正弦形的曲線輪廓。為此，仿真了正弦輪廓光柵的性能，并與理想結(jié)構(gòu)對比。圖6（a）展示了具有正弦形側(cè)壁脊輪廓的光柵在 1523.03nm 的諧振波長處的仿真光譜圖，圖6（b）則展示了光從左往右入射時(shí)，具有正弦形側(cè)壁脊輪廓的光柵的電場分布，在光柵側(cè)壁脊輪廓為正弦形的情況下依然會出現(xiàn)反射。可以看出，正弦形的側(cè)壁脊使得光柵濾波器的諧振波長產(chǎn)生了藍(lán)移。對于制造誤差，可以優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并通過使用更高精度的制造工藝來實(shí)現(xiàn)減小。但是，測試光譜的整體形態(tài)和變化趨勢可以與仿真結(jié)果很好地吻合。因此該方法可以為多模波導(dǎo)布拉格光柵的工作原理提供進(jìn)一步的理解。

3結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種具有 500nm 波導(dǎo)寬度和

400nm 光柵周期的非對稱側(cè)壁脊相位調(diào)制的切趾硅波導(dǎo)光柵濾波器。結(jié)果表明側(cè)壁脊寬度與相對位置的改變可以控制光柵的耦合系數(shù)與有效折射率分布。通過使光柵兩側(cè)脊的相對位置在

50至 200nm 內(nèi)偏移，可將光柵濾波器的抑制帶寬從1.19增至 2.03nm ，且消光比從1.72增至8.79dB 。此外，隨著單側(cè)脊寬度從150至 250nm 變化，光柵濾波器的諧振波長可以偏移 4.54nm 。所提出的非對稱硅基波導(dǎo)光柵可以為集成光子芯片技術(shù)在光學(xué)濾波器等領(lǐng)域提供更多的設(shè)計(jì)自由度。

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（編輯：張磊）