梯形截面硅基垂直多槽纳米线定向耦合器全矢量分析

收稿日期:20220923基金项目:国家重点研发计划项目(2018Y F B 2200500);国家自然科学基金资助项目(61204080);国家重点实验室基金资助项目(S K L 201804);陕西省重点研发计划项目(2022G Y -012);西安市科技计划项目(2020K J R C 0026)㊂作者简介:刘 勇(1999),男,陕西安康人,硕士研究生㊂通讯作者:冯 松(1982),男,江苏扬州人,教授,博士㊂E -m a i l :f e n g s o n g @x pu .e d u .c n ㊂第35卷第4期2023年 8月沈阳大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e n c e )V o l .35,N o .4A u g .2023文章编号:2095-5456(2023)04-0309-10硅基垂直光栅耦合器的研究进展刘 勇,冯 松*,王 迪,陈梦林,胡祥建,冯露露(西安工程大学理学院,陕西西安 710048)摘 要:对国内外硅基垂直光栅耦合器的研究进展进行了总结,讨论了均匀光栅耦合器和非均匀光栅耦合器的研究现状,并对相关耦合器的性能参数做了对比和分析,为未来继续研发更高耦合效率㊁更大耦合带宽的垂直光栅耦合器提供思路与参考㊂关 键 词:光子器件;光波导;硅基;光栅耦合器;垂直耦合中图分类号:T N 256 文献标志码:AR e s e a r c hP r o g r e s s o f S i l i c o n -B a s e dV e r t i c a lG r a t i n g C o u pl e r s L I U Y o n g ,F E N G S o n g ,WA N G D i ,C H E N M e n g l i n ,HU X i a n g ji a n ,F E N GL u l u(S c h o o l o f S c i e n c e ,X i a nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y,X i a n710048,C h i n a )A b s t r a c t :T h e r e s e a r c h p r o g r e s s o f s i l i c o n -b a s e d v e r t i c a l g r a t i n g c o u p l e r s a t h o m e a n d a b r o a d w a s s u mm a r i z e d ,t h er e s e a r c hs t a t u so fu n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r sa n dn o n -u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r sw a s d i s c u s s e d ,a n d t h e p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so f r e l a t e dc o u p l e r sw e r e c o m pa r e d a n da n a l y z e d ,w h i c h p r o v i d e di d e a sa n dr e f e r e n c e sf o rt h ef u t u r ed e v e l o pm e n to fv e r t i c a l g r a t i n g c o u p l e r sw i t hh i g h e r c o u p l i n g e f f i c i e n c y a n d l a r g e r c o u p l i n g ba n d w i d t h .K e y wo r d s :p h o t o n i c d e v i c e s ;o p t i c a lw a v e g u i d e ;s i l i c o n s u b s t r a t e ;g r a t i n g c o u p l e r ;v e r t i c a l c o u p l i n g 随着集成光电子器件在光通信系统中的应用日益广泛,如何实现光纤或激光器与光电集成芯片波导之间的高性能㊁低成本耦合是亟待解决的问题㊂为了维持光波导的单模传输特性,集成光电子器件中光波导的模斑尺寸通常小于1μm ,而单模光纤的模斑尺寸通常为8~10μm ,二者之间尺寸相差巨大,使得光从光纤进入小尺寸的波导器件时,会出现模斑尺寸和有效折射率的失配,进而产生较大的插入损耗,这也是硅基光电子发展的产品化技术难点㊂为了降低光纤与光芯片波导之间的模式失配和有效折射率失配造成的损耗,学界提出了很多解决方案,现有的光耦合结构包括楔形模斑转换器[13]㊁透镜耦合器[4]㊁棱镜耦合器[5]和光栅耦合器[610]等㊂各种耦合器结构和制作方法多种多样,性能也各有千秋,彼此之间相互竞争㊁相互促进㊂楔形耦合器的耦合效率与耦合带宽很大,但制造工艺复杂且尺寸较大,因此难以和其他器件集成,且输入和输出耦合只能发生在集成光芯片的边缘,这就限制了光输入/输出(i n p u t /o u t pu t ,I /O )端口的位置[11]㊂透镜和棱镜耦合器耦合效率和耦合带宽较好,但工艺复杂对准容差小并且体积较大,难以和其他器件集成㊂而光栅耦合器制作工艺简单㊁工艺容差大㊁易对准㊁对准容差大㊁易于集成,可与传统微电子工艺兼容,而且可以在光芯片平面的任意位置实现光的输入或输出,灵活布置I /O 端口的位置,无需划片与端面抛光Copyright ©博看网. All Rights Reserved.013沈阳大学学报(自然科学版)第35卷就可以进行片上测试,因此采用光栅耦合器这种耦合方式能大大提高芯片集成度,是解决光纤或激光器与光芯片波导之间高性能㊁低成本耦合的1个重要解决方案㊂光栅耦合器主要是通过光栅的衍射作用将光纤中的光耦合进波导中,光栅耦合器既可以实现光纤与芯片波导之间的垂直耦合,也可以实现水平耦合,目前研究较多的是基于垂直耦合的光栅耦合器㊂1970年,D a k s s课题组最早开始了对光栅耦合器的研究,他们利用光刻胶制作出了1种均匀对称光栅耦合器[12]㊂随着相关理论和加工技术不断发展,从传统均匀对称的结构出发,研究人员设计制作出了各种不同结构㊁不同材料的光栅耦合器㊂传统均匀对称结构的光栅耦合器在器件设计和制备方面较为简单,但是其对称的结构也限制了耦合效率,在理想情况下最高只能达到50%的耦合效率,难以满足实际的应用需求㊂为了打破结构的限制以提高耦合效率,美国阿拉巴马大学的W a n g课题组设计了1种具有倾斜结构的光栅耦合器[13]㊂通过倾斜光栅的非对称结构解决了对称结构对耦合效率的限制,得到了更好的耦合性能㊂此后,还有更多不同结构的非对称光栅耦合器被设计制作出来㊂本文分析了近年来各国研究人员所提出的各种基于绝缘体上硅(s i l i c o no ni n s u l a t o r,S O I)㊁绝缘体上氮化硅(s i l i c o nn i t r i d e o n i n s u l a t o r,S N O I)和绝缘体上铌酸锂(l i t h i u mn i o b a t e o n i n s u l a t o r,L N O I)材料的性能优异的均匀光栅耦合器与非均匀光栅耦合器,列表总结对比了各种类型的光栅耦合器的性能与优化方法㊂1均匀光栅耦合器均匀光栅是结构最简单的光栅耦合器,然而,这种光栅的最大耦合效率是有限的[14],光栅的刻蚀深度㊁占空比㊁以及光栅的材料等因素对耦合效率有很大的影响㊂基于传统的均匀光栅结构,相关科研工作者们提出了诸多方法来提高它的耦合效率,例如:优化器件结构参数㊁增加后反射器㊁顶部增透膜㊁底部反射镜(d i s t r i b u t e db r a g g r e f l e c t o r,D B R)和光栅反射镜(g r a t i n g r e f l e c t o r,G R)等,有效地减少了反向耦合光㊁顶层反射光以及泄漏到硅基底层的光能量,使得更多的光能量能够耦合进波导当中㊂近年来也有许多性能优异的器件结构设计被提出并通过了理论和实验验证㊂绝缘体上硅是1种广泛应用于集成电路的材料,其具有集成度高㊁速度快㊁耐高温㊁热导率高㊁抗辐射㊁低压低功耗等优点,能够很好地和C MO S工艺兼容且成本低,是非常优秀的材料,是目前硅光子主要的无源波导材料之一㊂2018年韩国科学技术高级研究院的S h a r m a课题组在具有220n m厚的硅器件层的S O I平台上,用时域有限差分法(f i n i t ed i f f e r e n c e t i m ed o m a i n,F D T D)对光栅耦合器进行了模拟[15]㊂对影响光栅耦合效率的几个重要参数光栅周期㊁占空比㊁刻蚀深度进行了优化㊂优化后得到的最佳参数分别为:最佳周期为620n m;最佳占空比为50%;最佳刻蚀深度为80n m,其结构截面如图1所示;光栅耦合器的尺寸为15.5μmˑ10μm㊂最后,采用干法刻蚀制作出了所设计的器件并进行了测试,测试结果显示,在1550n m波长下耦合效率为-3.6d B,3-d B耦合带宽为48n m ㊂Λ 周期;e d 刻蚀深度;n 折射率㊂图1优化后的光栅耦合器截面F i g.1C r o s s s e c t i o no f t h eo p t i m i z e d g r a t i n g c o u p l e r2019年日本仙台东北大学的Y u等[16]基于均匀对称光栅设计了1种可用于完全垂直耦合的双层光栅耦合器㊂该耦合器结构的截面如图2所示,可工作于1.3μm和1.55μm波长㊂器件上层是1个周期长㊁刻蚀深度深的顶部光栅,这个光栅采用了S i3N4和S i O22种折射率差较小材料来制作,以减小偏振和背反射的影响㊂这个光栅作为分光器,可以有效地将垂直入射的光波转换为倾斜的入射波㊂为了对倾斜波进行2次衍射并将其耦合进波导中,作者设计了1个周期短㊁刻蚀深度浅的第2光栅㊂2个光Copyright©博看网. All Rights Reserved.图2 双层光栅耦合器截面F i g .2 C r o s s s e c t i o no f d o u b l e l a y e r g r a t i n g c o u pl e r 栅之间由1个高度为d g a p 的Si O 2间隙层隔开㊂它们通过2维时域有限差分法(2d i me n s i o n a l -f i n i t ed i f f e r e n c e t i m e d o m a i n ,2D -F D T D )仿真计算了耦合效率和耦合带宽㊂通过合理设计优化2个光栅和硅波导的结构参数,可以满足入射波和波导的相位模式匹配条件㊂优化后的结果显示,在1582n m 波长下T E 0的双端口输出的耦合效率为41%,T M 0的双端口输出的耦合效率为32.88%,在1322n m 波长下T M 0的双端口的耦合效率输出为27.06%,测得的3-d B 耦合带宽分别为49㊁47和34n m ㊂铌酸锂(l i t h i u m n i o b a t e ,L N )晶体是1种多功能铁电材料,被称为光子学领域中的硅 ㊂它具有良好的声光㊁非线性光学㊁电光等特性㊂绝缘体上铌酸锂已成为集成光子学领域1个有前途的平台㊂为了利用L N O I 技术提供的优势,需要适用于光纤到L N O I 平台耦合的光栅耦合器㊂2017年山东大学的C h e n 课题组基于z -c u t 薄膜L N O I 材料设计并制作了1种加有底部金属反射镜的光栅耦合器[17],并对其进行了表征㊂通过在基底层和氧化层之间加入1层10n m 的金属层,可以减少光向基底层的泄露,并将从光栅耦合器中透射下来的光向上反射回光栅结构中,进而提高耦合效率㊂实验通过聚焦离子束(f o c u s e d i o nb e a m ,F I B )工艺制作了经过仿真优化后的光栅耦合器,并对其进行了测试㊂实验测得,未加底部金属反射镜的光栅耦合器的最大耦合效率为-9.1d B ,加底部金属反射镜的光栅耦合器的最大耦合效率为-6.9d B ㊂2021年上海交通大学的Y a n g 课题组基于600n m 厚的x -c u t 薄膜L N O I 材料设计了1种均匀光栅耦合器[18]㊂并进行了制造和测试,器件结构如图3所示㊂该光栅耦合器结构易于制作,与C MO S 工艺兼容,并且可以通过电子束光刻(e l e c t r o nb e a ml i t h o g r a p h y,E B L )工艺一步完成定义,然后通过干法刻蚀完成制作㊂实验结果表明,L N O I 光栅耦合器在1543n m 波长下具有-6.3d B 的峰值耦合效率,在1550n m 的通信波长下具有-6.7d B 的高耦合性能,且具有超过90n m 的3-d B 耦合带宽㊂(a)俯视(b)横截面(c)光栅结构局部放大图3 L N O I 光栅耦合器结构F i g .3 S t r u c t u r eo f L N O I g r a t i n g c o u pl e r 耦合带宽(通常以耦合效率的1-d B 点或3-d B 点为标准)是光栅耦合器除了耦合效率以外最重要的性能指标之一,然而基于S O I 材料的光栅耦合器受材料限制,其耦合带宽相对较低㊂减小光栅的等效折射率可以有效地增加光栅耦合器1-d B 点耦合带宽㊂氮化硅材料,不仅具有与硅基材料相同的的C MO S 工艺兼容性㊁低成本与较好的集成度,而且还能以较低的等效折射率实现最佳的光栅耦合性能㊂此外,由于氮化硅与二氧化硅的折射率对比度较低,可以降低光子器件对表面粗糙度的敏感性,在制造过程中就具有更高的尺寸容差㊂因此,基于绝缘体上氮化硅材料的光栅耦合器有望实现更好的相位对准容差,更低的插入损耗以及更好的热稳定性,在P I C 耦合问题的解决上具有潜在的应用价值[19]㊂113第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图4 S i N 均匀光栅耦合器截面F i g .4 C r o s s s e c t i o no f S i Nu n i f o r m g r a t i n g c o u pl e r 2019年印度科学院纳米科学与工程中心的N a m b i a r 研究小组设计并实验验证了具有底部分布式布拉格反射镜的高耦合效率S N O I 光栅耦合器[20]㊂器件结构如图4所示,在埋氧层中具有2个分布式布拉格反射镜,用来降低向基底泄露的光能量,器件采用等离子体增强化学气相沉积工艺制作㊂在具有不同氮化硅厚度(400n m 和500n m )的2个平台上设计了光栅耦合器㊂在500n m 氮化硅平台上,所设计的光栅耦合器在1573n m 波长处的峰值耦合效率为-2.29d B ,1-d B 耦合带宽为49n m ㊂在400n m 氮化硅平台上,所设计的光栅耦合器在1576n m 波长处的峰值耦合效率为-2.58d B ,1-d B 耦合带宽为52n m ㊂同年,该团队在这一设计的基础上,采用啁啾生成算法优化光栅的结构[21],进一步提高了耦合性能,实验测得在500n m 氮化硅平台上,优化后的耦合器在1571n m 波长处的峰值耦合效率提高到-1.17d B ,1-d B 耦合带宽为40n m ㊂在400n m 厚的氮化硅平台上,所设计的光栅在1572n m 波长处的耦合效率提高到-1.24d B ,1-d B 耦合带宽为39n m ㊂图5 均匀光栅上方加入S i 3N 4层的光栅耦合器结构F i g .5 S c h e m a t i cd i a g r a mo f g r a t i n g c o u pl e r s t r u c t u r e w i t hS i 3N 4l a y e r o n t o p o f u n i f o r m g r a t i n g 2020年长安大学的Z h a n g 团队设计了1种可以实现完全垂直耦合的光栅耦合器[22]㊂如图5所示,通过在均匀光栅上方加入1个S i 3N 4层,可以有效减少光的向上反射,提高耦合效率㊂在设计过程中,通过遗传算法对光栅和S i 3N 4层的结构参数进行优化㊂加入S i 3N 4层后,测得的耦合效率从57.5%(-2.5d B )提高到68.5%(-1.65d B ),上反射从17.6%(-7.5d B )降低至7.4%(-11.3d B )㊂在此基础上,通过再加入1个底部金属反射镜,可以进一步提高耦合效率,实验测得加入底部金属反射镜后,平均耦合效率提高到了87%(-0.6d B ),最高可达89.4%(-0.49d B ),且具有较大的耦合带宽,测得其1-d B 耦合带宽为64n m ,3-d B 耦合带宽为96n m ㊂该光栅耦合器的最小特征尺寸为226n m ,结构简单可以通过D U V 光刻来制作,可应用于波分复用(w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ,WD M )应用的光接口和低成本的硅光器件光纤封装㊂为了提高光栅耦合器的耦合效率与工作带宽,表1总结了近年来相关科研工作者所设计的一些均匀光栅耦合器的性能参数㊂从表1中可以看出,耦合器的材料平台主要有S O I ㊁S N O I ㊁L N O I 等3种㊂优化方法有:通过各种算法对光栅的结构参数进行优化,加入底部反射器(S iG R ㊁D B R )或上部反射层;采用聚焦光栅结构或反锥度设计;采用双层光栅结构设计等㊂在1550n m 工作波长附近,对基于S O I 的均匀垂直光栅耦合器,大多采用优化其刻蚀深度㊁占空比㊁等结构参数来提高其耦合效率,这种方法在设计和制造工艺上都较为简单㊂此外便是加入上部反射层或底部反射器以及设计成聚焦光栅等方法,其中文献[22]通过在光栅上部合适位置加入1个S i 3N 4材料的反射层降低向上反射并加入底部金属反射镜后所获得的-0.6d B 的耦合效率㊁64n m 的1-d B 耦合带宽和96n m 的3-d B 耦合带宽是其中耦合效果相对最佳的㊂对基于S N O I 的均匀垂直光栅耦合器,除了采用优化结构参数与加入反射器等方法外,设计人员还提出了双层光栅耦合结构,通过增加光栅耦合器设计的自由度,从而达到提高耦合效率和增大耦合带宽的效果㊂文献[28]报道的双层光栅耦合器在不加入其他结构时,理论上耦合效率能达到-2.28d B ,1-d B 耦合带宽可达57.7n m ,耦合效果相对最好㊂文献[2930]报道的双层耦合器则在1.3μm 工作波长有较好的耦合效率与较大的耦合带宽㊂对基于L N O I 的均匀垂直光栅耦合器,由于研究较晚,目前大多采用优化结构参数与加入反射镜来提高耦合效率,文献[31]报道的L N O I 耦合器同时具有-2.97d B 的耦合效率与58n m 的1-d B 耦合带宽,与其他L N O I 均匀光栅耦合器相比是最好的1个㊂213沈阳大学学报(自然科学版) 第35卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.表1 均匀光栅耦合器性能参数T a b l e1 P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r 文献年份材料平台工作波长n m耦合效率d B1-d B 耦合带宽n m 3-d B 耦合带宽n m 优 化 方 法[15]2018S O I 1550[22]2020S O I1550[16]2019S O I /S i 3N 41582[23]2017S O I1550[24]2015S N O I 1550[20]2019S N O I 1573[25]2016S N O I 1550[2627]2017S N O I 1567[28]2018S N O I 1550[2930]2018S N O I 1306[31]2020L N O I 1550[17]2017L N O I 1550[18]2021L N O I 1550[32]2020L N O I 1550[33]2018L N O I 1550 -3.60-0.60T E :-3.87TM :-4.84-2.49-1.47-2.29-3.70-3.60-2.28-2.20-2.97-6.90-6.70-5.82-3.06 48优化结构参数64.096上方反射层,底部金属反射镜 4947双光栅自聚焦光栅70.0 S iG R 49.0 D B R54.0 聚焦光栅和逆锥度70.0 S i 3N 4-o n -S O I 57.7 S i 3N 4双层光栅72.9 S i 3N 4-S i 双层光栅58.0金属光栅D B R90结构参数优化 57反锥度设计55.0单晶硅光栅2 非均匀光栅耦合器为了打破均匀光栅对称结构的限制,进一步提高耦合效率,科研工作者基于均匀光栅设计出了许多性能优异,相较于均匀光栅具有更高耦合效率和更大耦合带宽的非均匀光栅耦合器㊂与均匀光栅耦合器相同,非均匀光栅耦合器目前大多数也都是基于S O I ㊁S N O I ㊁以及L N O I 材料的㊂2017年,加拿大麦吉尔大学的W a n g 团队报道了2种应用于O 波段的单蚀刻亚波长光栅耦合器(s u b -w a v e l e n g t h g r a t i n g c o u p l e r ,S WG C )[34],1种针对高耦合效率,另1种针对大工作带宽,器件结构如图6所示㊂设计的器件属于1维亚波长光栅(s u b -w a v e l e n g t h g r a t i n g ,S WG ),结构较为简单,只需要1个刻蚀步骤即可完成,可以使用电子束光刻技术制造㊂测试结果显示高效S WG C 的实测峰值耦合效率为-3.8d B ,3-d B 带宽为40n m ,大宽带S WG C 的实测峰值耦合效率为-4.3d B ,3-d B 耦合带宽为71n m ㊂通过在埋氧层和硅衬底的界面处放置1个金属层来模拟带有底部反射镜的S WG C ,此时高效S WG C 和大宽带S WG C 的耦合效率可分别提高到-1d B 和-1.3d B ;3-d B 耦合带宽也可分别提高到46n m 和86n m ㊂此外,设计的S WG C 使用了聚焦光栅以减少设计尺寸,制成的S WG C 的尺寸小于45μmˑ24μm ,较小的尺寸便于集成,且S WG C 在1260n m 至1360n m 的波长范围内的背反射被抑制为低于-15d B㊂(a )高效O 波段S WG C (b )大宽带O 波段S WG C图6 高效O 波段S W G C 和大宽带O 波段S W G C 的横截面F i g .6 S c h e m a t i c c r o s s -s e c t i o no f h i g h -e f f i c i e n c y O -b a n dS WG Ca n d l a r ge -b r o a d b a n dO -b a n dS W G C 2019年日本九州大学的H o n g 和武汉理工大学的Qi u 团队从理论上和实验证明了1种具有多层313第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图7 切趾S i N x 波导光栅耦合器结构F i g .7 S t r u c t u r ed i a g r a mo f a po d i z e dS i N x w a v e g u i d e g r a t i n g c o u pl e r 底部反射器的高效切趾氮化硅波导光栅耦合器[35],器件结构如图7所示㊂他们提出了1种基于S N O I 材料的光栅耦合器,具有超高效率和简单的制造工艺,不使用底部分布式布拉格反射器或金属反射器,而是使用具有相当反射率的底部硅光栅反射器(S iG R )来提高耦合效率㊂完全蚀刻的S iG R 是基于工业标准的绝缘体上硅(S O I)晶圆设计㊂通过适当调整S iG R 的沟槽宽度和周期长度,可以获得超过90%的高反射率㊂光栅耦合器和底部S iG R 之间有适当的距离,通过对光栅做切趾处理后,耦合器峰值耦合效率可达-1.75d B ,3-d B 耦合带宽为76.34n m ,他们还研究了具体的制造工艺和公差,与D B R 相比,底部S iG R 可以通过单步图案化和蚀刻轻松制造,简化了制造工艺㊂光栅耦合器的背反射对耦合效率的影响也很大㊂背反射主要来源于2个方面:光栅耦合器的2阶反射和输入波导与光栅耦合器的边缘产生的菲涅耳反射㊂对于2阶反射,可以利用在光纤与光电子集成电路表面设置大约10ʎ的倾斜耦合角度来抑制,但在实际应用过程中受到了一定限制,而且封装也比较困难[36]㊂而二元闪耀光栅[3738]对于消除2阶反射来说是1个较好的选择,闪耀光栅可以将所有衍射光 闪耀 成单个衍射级,抑制第2级和高级次衍射,并可提高光栅的效率和方向性㊂其他类型的闪耀光栅,例如三角光栅和平行四边形光栅,不能用标准刻蚀工艺制造㊂二元闪耀光栅由均匀高度的可变子波长柱组成,它是闪耀光栅的三角形齿形的2进制形式,并且可以在1个刻蚀步骤中制造㊂2018年美国斯坦福大学的S u 团队提出了1种基于梯度算法的1维光栅耦合器的设计与优化方法,并基于此方法设计了1种闪耀光栅耦合器[39]㊂其结构如图8所示,光栅闪耀角为50ʎ,它只需要1次蚀刻就可以完成,而且没有背反射镜㊂实验测得其插入耦合损耗小于0.2d B ,1-d B 耦合带宽为26n m ㊂图8 闪耀光栅耦合器结构F i g .8 S t r u c t u r ed i a g r a mo f b l a z e d g r a t i n g c o u pl e r 2021年,上海交通大学的X u 课题组提出了1种基于绝缘体上硅(S O I )平台上的高性能二元闪耀光栅耦合器(b i n a r y b l a z e d g r a t i n gc o u pl e r ,B B G C )[40],以实现完美的垂直耦合,器件结构如图9所示㊂利用粒子群算法优化了光栅周期㊁子光栅填充因子㊁蚀刻深度㊁埋氧层厚度等关键参数,并通过实验证明了在1550n m 波长时设计的B B G C 的耦合效率为-3.69d B ,3-d B 耦合带宽约为70n m ㊂该B B G C 结构的最大长宽比约为1.35,与以前报道的B B G C 相比,它更容易制造㊂B B G C 在S O I 平台上的实现简单㊁可重复,并与标准的C MO S 工艺兼容㊂图9 二元闪耀光栅耦合器结构F i g .9 S c h e m a t i cd i a g r a mo f b i n a r y b l a z e d g r a t i n g c o u pl e r s t r u c t u r e 图10 L 形光栅耦合器结构F i g .10 S c h e m a t i cd i a g r a mo f L -s h a p e d g r a t i n g c o u pl e r s t r u c t u r e 2017年法国巴黎萨克雷大学的B e n e d i k o v i c 课题组设计了1种具有低反射和高方向性的用于光纤与芯片耦合的L 形光栅耦合器[41]㊂器件通过使用193n m 深紫外光刻制造,其结构原理图如图10所示,L 形结构由1个深刻蚀和1个浅刻蚀工艺完成㊂另外通过加入1个亚波长光栅作为波导与耦合光栅之间的过渡区,可以将耦合光栅的反射率降至1%(-20d B )㊂实验测得工作在1560n m波长下的耦合效率为-2.7d B (54%),3-d B 耦合带宽为62n m ㊂413沈阳大学学报(自然科学版) 第35卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图11 高效光栅耦合器结构F i g .11 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eh i g h -e f f i c i e n c yg r a t i n g c o u pl e r 同年,W a t a n a b e 课题组采用2步刻蚀技术,在220n m 厚的标准S O I 晶片上成功地制作出可以实现完全垂直耦合的高效光栅耦合器[42],其结构如图11所示,具有防背反射结构和闪耀光栅结构㊂对其做切趾处理后,通过模拟和实验测试证明所设计的光栅结构有效地抑制了背反射,提高了耦合效率㊂在1533n m 波长条件下的耦合效率为-1.5d B ,3-d B 耦合带宽为49n m ㊂此外,他们所设计的光栅耦合器与标准的硅光子学技术兼容,易于制造,并且由于可以实现完全垂直,可以作为空分复用(s p a c e d i v i s i o nm u l t i pl e x ,S D M )的输入/输出器件,提高硅光子学芯片集成密度,同时可大大降低封装难度,更有利于封装与片上测试㊂图12 双刻蚀光栅耦合器横截面F i g.12 C r o s s s e c t i o n a l v i e wo f t h ed o u b l e e t c h i n gg r a t i n g c o u pl e r 2017年,英国南安普顿大学的C h e n 课题组设计了1种可以在1310n m 波长附近实现高效耦合的双刻蚀光栅耦合器[43],器件结构如图12所示㊂为了提高耦合器的方向性,他们使用基于70和190n m 沟槽交错蚀刻的方法将方向性提高到了0.95㊂通过使用亚波长结构并对光栅进行了切趾处理,增加了与光纤的模式匹配,减少了对波导的背反射,进一步提高了耦合效率㊂实验测得,采用I C P 刻蚀工艺制作的光栅耦合器的峰值耦合效率为-1.9d B ,1-d B 耦合带宽为23n m ㊂2020年,山东青年政治学院的陈志华团队在L N O I 平台上设计了1种具有啁啾和切趾结构的光栅图13 L N O I 平台上的啁啾和切趾光栅耦合器结构F i g .13 S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec h i r p e da n da po d i z e d g r a t i n g c o u p l e r o nL N O I pl a t f o r m 耦合器[44],器件结构如图13所示㊂仿真得到的耦合效率为-1.8d B ,3-d B 耦合带宽为90n m ,加入底部金属反射镜后,耦合效率可提高到-0.8d B ,他们采用F I B 技术制做了所设计的耦合器,实验测得耦合效率为-6.9d B ,3-d B 耦合带宽为82n m ,带有底部金属反射镜的为-5.5d B ㊂他们仿真与实验测得结果的差异主要是加工精度造成的,如果可以更精确地控制制造精度,设计具有啁啾和切趾结构的光栅耦合器可成为单模光纤和L N O I 器件之间耦合的良好解决方案㊂表2总结了近年来报道的部分非均匀光栅耦合器的相关性能参数㊂对比表1与表2的数据可以看出,对于相同材料的光栅耦合器,采用非均匀的光栅结构耦合效率更高,带宽也更大㊂所采用的非均匀结构有闪耀光栅结构㊁二元闪耀光栅结构㊁切趾光栅结构㊁啁啾光栅结构㊁L 形或阶梯形结构以及基于等效折射率的亚波长结构等㊂这些非均的结构打破对称结构限制,可以使光更多地衍射到入射平面的一侧,从而大大提高衍射效率㊂同时,对于非均匀光栅耦合器也可以采用加入底部反射器(S iG R ㊁D B R )来进一步提高耦合效率㊂对于S O I 非均匀光栅耦合器,文献[39]采用闪耀光栅设计得到的-0.2d B 的耦合效率是其中最高的,但是其耦合带宽较小,文献[45]采用分段式光栅耦合器则是其中耦合带宽最大的,3-d B 耦合带宽达71.4n m ㊂此外,采用S WG 设计的S O I 光栅耦合器,设计的自由度更高且耦合效率较高,耦合带宽也不低㊂对于S N O I 非均匀光栅耦合器,文献[35]通过在氧化层中加入S i G R 降低光波向硅基底的泄露并对光栅做切趾处理得到的76.34n m 的3-d B 耦合带宽是其中最高的,并且具有-1.75d B 的较好的耦合效率㊂对于L N O I 非均匀光栅耦合器的报道不多,其中文献[44]报道的采用啁513第4期 刘 勇等:硅基垂直光栅耦合器的研究进展Copyright ©博看网. All Rights Reserved.啾和切趾结构的光栅耦合器在加入底部金属反射镜后具有-0.8d B的耦合效率与90n m的3-d B耦合带宽,是其中的最佳值,这种光栅耦合器结构与文献[46]报道的结构类似,可以使光栅与光纤的模场更加匹配,有效提高耦合效率㊂表2非均匀光栅耦合器性能参数T a b l e2P e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f n o n-u n i f o r m g r a t i n g c o u p l e r文献年份材料平台工作波长n m耦合效率d B1-d B耦合带宽n m3-d B耦合带宽n m耦合效率提高方法[45]2018S O I1550-2.86 71.40分段式[42]2017S O I1533-1.50 49.00闪耀光栅[41]2017S O I1560-2.70 62.00L形结构[40]2021S O I1550-3.69 70.00B B G C[39]2018S O I1550-0.2026 闪耀光栅[20]2019S N O I15711.1740 啁啾光栅㊁D B R [2627]2017S N O I1567-2.5065 双层切趾光栅[46]2018S N O I1550-0.99 啁啾切趾光栅[35]2019S N O I1550-1.75 76.34切趾光栅㊁S iG R [4748]2017/2016S N O I1550-1.30 60.00切趾㊁阶梯结构光栅[49]2019S O I1550-0.2529~4054.00~68.00S WG[43]2017S O I1310-1.9023 双刻蚀[34]2017S O I1550-1.00/-1.30 46.00/86.00S WG[50]2020S O I1549-0.5039 D B R㊁非周期光栅[44]2020L N O I1550-0.80 90.00啁啾切趾光栅[51]2021L N O I1550-3.72 35.00切趾光栅[52]2019L N O I1550-3.60 48.00啁啾光栅3结论光栅耦合器作为光耦合结构的1种,具有制作工艺与传统微电子C MO S工艺兼容㊁工艺容差大㊁易于对准㊁易于集成㊁在光芯片平面内的任意位置都可以实现光的输入或输出㊁可以灵活布置I/O端口位置㊁可以进行片上测试并且不需要划片与端面抛光等优点,是目前作为光纤与芯片波导耦合最常用与最有竞争力的耦合方式㊂但是单纯的均匀结构光栅耦合器的耦合效率并不太高,最大仅为50%,且耦合带宽较小;因此,研究新的结构减少光的向后反射㊁向上反射和向基层的泄漏以及二阶衍射的影响,实现更高耦合效率和更大耦合带宽仍是目前需要解决的问题㊂本文针对硅基垂直光栅耦合器,总结了近年来国内外的一些研究成果㊂对均匀和非均匀2类不同结构的光栅耦合器进行了分析总结,列举了近年来所报道的对于光栅耦合器的一些研究进展,总结了其提高耦合器耦合带宽和耦合效率所用的方法㊂近年来国内外对基于S O I㊁S N O I和L N O I平台的光栅耦合器的研究表明,对于均匀光栅耦合器,通过加入底部反射镜㊁上部覆盖层,以及采用聚焦光栅和双层光栅的设计可以有效提高其耦合效率和耦合带宽;对于非均匀光栅耦合器,可采用非均匀的结构设计,例如切趾光栅㊁啁啾光栅㊁闪耀光栅㊁二元闪耀光栅和亚波长光栅(S WG)等结构,同时也可以在此基础上采用加入底部反射镜㊁上部覆盖层,以及采用聚焦光栅和双层光栅设计等方法进一步提高其耦合效率和耦合带宽㊂这些研究为未来继续发展高耦合效率㊁大耦合带宽的垂直光栅耦合提供了思路,随着研究的更加深入以及制作工艺的更加成熟完善,将会有更多性能优良,制作简单的光栅耦合器被报道并得到实际产品化应用㊂参考文献:[1]D A YI,E V A N SI,K N I G H T S A,e ta l.T a p e r e ds i l i c o n w a v e g u i d e s f o r l o wi n s e r t i o nl o s sh i g h l y-e f f i c i e n th i g h-s p e e de l e c t r o n i cv a r i a b l e o p t i c a l a t t e n u a t o r s[C]ʊO F C2003O p t i c a l F i b e rC o mm u n i c a t i o n sC o n f e r e n c e.M a r c h28-28,2003,A t l a n t a,G A,U S A.I E E E,2004(1):249251.[2]S U R E A,D I L L O N T,MU R A K OW S K I J,e t a l.F a b r i c a t i o na n dc h a r a c t e r i z a t i o no f t h r e e-d i m e n s i o n a l s i l i c o nt a p e r s[J].O p t i c s 613沈阳大学学报(自然科学版)第35卷Copyright©博看网. 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47, 051301 (2010) ©2010 中国激光杂志社doi: 10.3788/lop47.051301基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器王剑威戴道锌时尧成杨柳(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058)摘要利用有限元方法和时域有限差分方法，优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。

考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难，且模式失配会引入一些损耗，因此波导间隙取约100 nm较为合适。

通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙，使得偏振分束器长度最短。

数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 µm，偏振分束器的消光比大于15 dB时，波导宽度制作容差为－20～10 nm，带宽约为50 nm。

关键词集成光学；偏振分束器；方向耦合器；绝缘体上硅中图分类号 O436 OCIS 130.5440 230.1360 文献标识码 ADesign of Compact TE/TM Polarization Beam Splitter Based on Silicon-on-Insulator Ridge Nanowire Directional Coupler Wang Jianwei Dai Daoxin Shi Yaocheng Yang Liu(Centre of Optical and Electromagnetic Research, State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, ZhejiangUniversity, Hangzhou, Zhejiang 310058, China)Abstract A compact TE/TM polarization beam splitter (PBS) based on a silicon-on-insulator (SOI) ridge nanowire directional coupler is designed and optimized by using a finite-element method (FEM) and a finite difference time domain (FDTD) method. Considering the fabrication precision and the mode mismatching loss in a directional coupler, a gap width about 100 nm is chosen. The ridge height, the ridge width and the gap of two parallel nanowires are optimized to have the shortest length for the polarization splitter. The numerical simulations show that the optimized PBS has a short length of about 17.3 µm, and the waveguide width has a fabrication tolerance of about－20~10 nm, and the bandwidth is about 50 nm when the extinction ratios for both polarizations are larger than 15 dB.Key words integrated optics; polarization beam splitter; directional coupler; silicon-on-insulator1 引言近年来，基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导已成为集成光学领域的研究热点。

用于宽谱光学耦合的CdTe纳米线与硅波导复合耦合结构设
计
范长江;郭丽君;张云飞;李孟委;辛晨光
【期刊名称】《微纳电子技术》
【年(卷),期】2024(61)5
【摘要】设计了一种基于CdTe纳米线与硅波导的复合光学耦合结构,利用光学绝热耦合实现了CdTe纳米线与片上硅波导的高效率、宽光谱耦合。

采用时域有限差分法,研究了CdTe纳米线与硅波导的模式匹配情况,并建立了CdTe纳米线与硅波导复合结构的耦合理论模型。

在实验中,将通过气相沉积法制备得到的CdTe纳米线与通过光刻工艺制备得到的硅波导组成复合耦合结构,并利用光谱仪测量耦合特性。

实验结果表明,当CdTe纳米线与硅波导的耦合长度~10μm时,在波长
1150~1650 nm范围内的耦合效率>90%,耦合带宽达到了500 nm。

所提出的耦合结构具有耦合长度短、耦合带宽大、纳米线材料可选择性高、耦合结构可重复构建等特点,可用于片上波分复用器、集成光学传感器等光通信或光传感器件与系统的研制。

【总页数】8页(P66-73)
【作者】范长江;郭丽君;张云飞;李孟委;辛晨光
【作者单位】中北大学仪器与电子学院;中北大学前沿交叉科学研究院
【正文语种】中文
【中图分类】TN256;TN303
【相关文献】
1.矩形波导宽壁复合缝隙耦合器的MPSTD算法分析
2.波导耦合回音壁模式光学微球腔结构耦合特性分析
3.利用光学天线阵列耦合光波进入硅波导
4.氧化锌纳米线耦合硅金字塔微纳复合结构的制备及其自清洁特性研究
5.全硅集成光学──理论与工艺(V)(续四) 第五讲介质波导耦合模理论及硅耦合器
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一种实现超微光子晶体型定向耦合器的方法
吴江海
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2009(26)4
【摘要】在光子晶体定向耦合器中,通过减小两耦合波导之间介电柱的折射率来增大耦合系数,从而获得更短的拍长,形成超微的器件尺寸。

耦合器的奇模场随调制折
射率的减小变化不敏感,偶模场向更高频率的方向移动。

在同一频率范围内,调制折
射率减小,导致拍长随频率变化的函数曲线的斜率随频率增加而增大,这一特性可以
在波分复用器中用来减小相邻信号频率差,在相同的器件长度下,可获得更多的信道。

采用时域有限差分法验证了拍长随调制折射率减小而减小的变化规律。

【总页数】5页(P494-498)
【关键词】光通信;光子晶体波导;定向耦合;时域有限差分法;波分复用/解复用
【作者】吴江海
【作者单位】上海政法学院
【正文语种】中文
【中图分类】O439
【相关文献】
1.一种彩色立体析晶微晶砖的制备方法 [J], 廖花妹;吴志坚;范新晖
2.一种实现纳米超微定位和超微加工的新方法 [J], 禹国强;胡小唐
3.超微晶电流互感器铁芯的热处理方法 [J], 刘俊欣;丘渝青
4.一种新型光子晶体波导定向耦合型超微偏振光分束器 [J], 朱桂新;于天宝;陈淑文;廖清华;刘念华;黄永箴
5.改善铁基超微晶合金性能的一些方法 [J], 李志华
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定向耦合器方向性的分析目前公司许多产品都用到定向耦合器，但在应用过程中都需要大量调试其方向性来满足指标要求，为了减小调试时间以及调试过程中产生的一些不稳定因素，让产品在设计时就能满足指标要求或在产品中增加一些可调器件来降低调试时间和增加产品的可靠性。

一、定向耦合器为什么会有方向性上图为一段平行耦合传输线，当传输线1-4中有交变电流i I流过时，由于2-3线与1-4线靠得很近，所以2-3线中就有耦合来的能量，这个能量可通过电场（以耦合电容表示）又通过磁耦合（以耦合电感表示）耦合过来的。

通过C m的耦合在2-3线中产生的电流i c2和i c3，同时由于i I的交变磁场作用，在2-3线上有感应电流i L，根据电磁感应定律，感应电流i L的方向与i I相反。

由上图可以看到，若有能量从端口1口输入，端口2是耦合口，端口4是输出端，端口3上有电耦合电流i c3和磁耦合电流i L，这两个电流是方向相反能量相同，相互抵消了，故端口3为隔离端，也使得定向耦合器变得有方向性了。

二、如何改善耦合器的方向性图二图三图一是一段耦合微带线，上面什么也没有，仿真的结果为图二，可以看出这时耦合器的方向性很差，就个2dB，但在这段耦合微带上覆盖一层与基片相同厚度的介质后，得到的仿真结果为图三，这时方向性有很大的改善，有20dB左右。

这个在我们实际的设计时已经应用到了，就是在主杆旁边直接用微带线来进行耦合，在调试时去改变腔深对方向性变化很明显，这是因为耦合微带的电场分别处在空气和介质中，所以它的奇模和耦模的相速不相同的，在隔离端的信号就不能相互抵消，方向就会变差，当覆盖一层介质后，电场就只在介质中传输，奇模和耦模的相速就变得相同了，方向就会得到很大的改善。

2、旋转耦合附杆，使之与传输主杆形成一个角度，这在实际应用中很多例子，这和第一种方法是同种道理，改变奇、耦模的电角度来改变它的相速，使方向性变好。

图五在图一的基础上，在隔离端加一电容后仿真的结果，可以看出。

硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器研究凸面闪耀光栅的设计及其制作（实用版）目录一、硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器的研究背景和意义二、凸面闪耀光栅的设计原理三、凸面闪耀光栅的制作过程四、硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器的应用前景正文一、硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器的研究背景和意义硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器是一种应用于光纤通信领域的重要光学器件，其主要作用是在光纤与波导之间进行高效耦合。

随着互联网和物联网技术的飞速发展，光纤通信在现代通信领域占据举足轻重的地位，而硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器在光纤通信中的应用也愈发广泛，对于提高光纤通信系统的传输速率和传输距离具有重要意义。

二、凸面闪耀光栅的设计原理凸面闪耀光栅是一种具有较高耦合效率和较小体积的光学器件，其设计原理主要基于光栅的耦合效应。

光栅是由一系列周期性的折射率变化区域构成的，当光线经过光栅时，会在不同折射率区域之间发生反射和折射，从而产生一系列干涉条纹。

通过调整光栅的结构参数，可以实现对特定波长光的增强耦合，从而实现光信号的高效传输。

三、凸面闪耀光栅的制作过程凸面闪耀光栅的制作过程主要分为以下几个步骤：1.晶片制备：首先，需要选用适当尺寸和形状的硅晶片作为基底材料，并进行抛光和清洗等处理，以保证晶片的平整度和光洁度。

2.光栅刻蚀：采用光刻技术，在硅晶片表面刻蚀出一系列周期性的凸起和凹槽，形成凸面闪耀光栅的基本结构。

3.光栅耦合：在光栅表面涂覆一层光学耦合剂，将光栅与光纤或波导进行贴合，从而实现光信号的耦合传输。

4.封装测试：将制作好的凸面闪耀光栅进行封装，并进行光学性能测试，以验证其耦合效率和传输性能等指标。

四、硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器的应用前景硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器在光纤通信领域具有广泛的应用前景，不仅可以提高光纤通信系统的传输速率和传输距离，还可以实现光信号的精细调控和优化。

同时，硅基微纳二元闪耀光栅垂直耦合器的制备工艺相对成熟，易于规模化生产，具有较高的经济效益。

超紧凑抛物线形硅基光模斑转换器
袁博;姜浩;刘艺林;张赞允
【期刊名称】《聊城大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2024(37)1
【摘要】在集成光路中,光模斑转换器可实现两个截面尺寸不同的光波导器件之间的绝热光传输,对于降低光链路损耗具有重要作用。

在硅基光电子芯片中,硅基光模斑转换器通常用来实现单模波导和多模波导之间的连接,常用于光栅耦合器与单模波导之间的模斑转换。

由于传统线性模斑转换器尺寸较长,占用了大量宝贵的芯片面积,为实现超紧凑光绝热模斑转换,提出并实验验证了一种新型抛物线形模斑转换器,测试结果显示,该抛物线形模斑转换器在O波段和C波段均工作良好,C波段下,当尺寸长度为54 m和100 m时,光插入损耗分别约为0.25 dB和0.18 dB;O波段下,当尺寸长度为64 m和110 m时,光传输损耗分别为0.25 dB和0.09 dB。

测试结果与仿真结果符合良好。

【总页数】8页(P1-8)
【作者】袁博;姜浩;刘艺林;张赞允
【作者单位】天津工业大学电子与信息工程学院;天津工业大学天津市光电检测技术与系统重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN256
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硅基半导体多场耦合下的光传输及电调控特性分析周吉;贺志宏;于孝军;杨东来;董士奎【摘要】针对硅基半导体电光热多场耦合特性及电调控问题,引入泊松方程和载流子连续性方程来计算载流子输运过程的浓度分布,利用德鲁德-洛伦兹公式和K-K关系式考虑载流子浓度变化对于光折射率和吸收系数的影响,并根据电磁耗散求解热沉积项.通过对半导体基本方程、电磁波动方程和能量方程的耦合方程组进行有限元求解,模拟并分析了电光热三者耦合作用下硅基半导体介电属性及光传输行为随外加电压、载流子初始浓度、换热系数等影响因素的变化规律.研究指出了半导体P区表面反射光电场模随外加电压的降低而升高,随换热系数的增大而降低的规律.利用该机制给出了对反射光强空间分布进行电热调控的方案.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2016(037)001【总页数】11页(P63-73)【关键词】硅基半导体;载流子浓度;热光效应;电光效应;电热调控【作者】周吉;贺志宏;于孝军;杨东来;董士奎【作者单位】哈尔滨工业大学能源学院,黑龙江哈尔滨150001;中国空间技术研究院第508研究所,北京100094;哈尔滨工业大学能源学院,黑龙江哈尔滨150001;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;哈尔滨工业大学能源学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TK124硅基电光调制在滤波器、调制器、复用/解复用器、可重构光插分复用器、波长转换器、光开关等光电器件中有着广泛的应用。

由于硅具有易集成、低成本以及大容量等特点，近年来已经逐渐取代铌酸锂(LiNbO3)成为制造电光器件的主要材料。

已有研究证明，温度是影响光束传输质量的一个重要因素[1-2]。

而硅电光调制器作为光传输的一种主要媒介，随着对其大容量传输和精确传输要求的提高，温度对电光调制的稳定性和精确度的影响也日益受到重视。