应用于C波段的二维光栅耦合器的设计与优化.pdf

2023 年第 4 期0 引言绝缘体上硅 渊SOI冤 对光信号具有较强的束缚能力袁并且与互补金属氧化物半导体渊CMOS冤制造技术兼容袁是实现大规模光子集成或光电混合集成的理想平台袁市面上已出现多种基于 SOI 的高性能无源光器件袁比如光滤波器尧光开关尧光耦合器等1-2遥 其中袁光耦合器是连接片外光源和片上器件的重要桥梁袁受到了广泛的关注遥典型的 SOI 光波导的横截面积是 500 nm伊220 nm袁应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化Design and optimization oftwo-dimensional grating coupler applied to C-bandHE Wancai1袁2,GENG Minming1袁2袁3袁4*,FENG Yao1袁2,LAI Mingbing1袁2,LIU Qiang1袁2袁3,ZHANG Zhenrong1袁2袁3渊1.School of Computer,Electronics and Information,Guangxi University,Nanning 530004,China;2.Guangxi Key Laboratory of Multimedia Communications and Network Technology,Nanning 530004,China;3.Key Laboratory of Multimedia Communications and Information Processing of Guangxi Higher Education Institutes,Nanning 530004,China;4.Guangxi Experiment Center of Information Science,Guilin Guangxi 541004,China冤Abstract:Aiming at the problems of low coupling efficiency,large polarization related loss and complex structure of two-dimensional grating couplers,a new two-dimensional grating coupler based on silicon on insulator渊SOI冤material applied in Cband is proposed.The coupler is composed of four hole staggered rhombic etching cell unit cycle arrangement with a 45毅incli-nation angle.The period,etching depth,relative position and radius of etching circular hole of the coupler are optimized by usinginclined coupling mode,and conduct simulation verification on it.The simulation results show that the coupling loss of the coup-ler is as low as-2.4 dB at 1 540 nm,the polarization related loss at C band is less than 0.2 dB,and the 1 dB and 3 dB operatingbandwidths are 36 dB and 58 nm respectively.Key words:two-dimensional grating coupler,inclined coupling,coupling efficiency,polarization-dependent loss,silicon on in-sulator,temperature insensitive何万才1,2，耿敏明1,2,3,4*，冯 瑶1,2，赖明彬1,2，刘 嫱1,2,3，张振荣1,2,3渊1.广西大学 计算机与电子信息学院袁南宁 530004曰2.广西多媒体通信与网络技术重点实验室袁南宁 530004曰3.广西高校多媒体通信与信息处理重点实验室袁南宁 530004曰4.广西信息科学实验中心袁广西 桂林 541004冤摘要院针对二维光栅耦合器存在耦合效率低、偏振相关损耗大、结构复杂等问题，提出了一种应用于 C 波段的基于绝缘体上硅（SOI）材料的新型二维光栅耦合器，该耦合器由具有 45毅倾角的四孔交错菱形刻蚀晶胞单位周期排列组成，采用倾斜耦合方式对耦合器的周期、刻蚀深度、刻蚀圆孔的相对位置、刻蚀圆孔半径进行优化，并对其进行仿真验证。仿真结果表明：该耦合器在 1 540 nm 处耦合损耗低至-2.4 dB，C 波段的偏振相关损耗低于 0.2 dB,1、3 dB 工作带宽分别是 36、58 nm。关键词院二维光栅耦合器；倾斜耦合；耦合效率；偏振相关损耗;绝缘体上硅；温度不敏感中图分类号院TN252文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0008-07DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.002开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院引用本文院何万才袁耿敏明袁冯瑶袁等.应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院8-14.收稿日期院2023-01-02遥基金项目院国家自然科学基金项目渊61965003尧61661004尧61741504冤资助曰广西自然基金项目渊2018GXNSFAA294133冤资助遥作者简介院何万才渊1997要冤袁男袁宁夏固原人袁硕士研究生袁本科毕业于宁夏大学通信工程专业袁现就读于广西大学计算机与电子信息学院袁 主要研究方向为硅基集成光学遥*通信作者院耿敏明渊1981要冤袁男袁博士袁讲师袁硕士生导师袁主要研究方向为硅基集成光学尧光纤通信技术和光子信息处理遥专 题：光 器 件讀訛2023 年第 4 期何万才袁耿敏明袁冯瑶袁等院应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化标准单模光纤的模场直径是 10 滋m袁 两者的形状和尺寸均存在较大偏差袁 若两者直接进行光信号交换袁会产生严重的模式失配损耗和耦合损耗袁 影响系统性能遥 为了提高 SOI 光波导器件的实用性袁需要设计高性能的光耦合器袁如反向锥形边缘耦合器和光栅耦合器遥 其中袁光栅耦合器具有位置灵活尧对准容差大尧无需界面抛光工艺等优势袁 因而可以进行晶片级的测试袁同时降低成本遥 一维光栅耦合器因具有较高的耦合效率而被广泛使用和研究3遥 然而袁一维光栅耦合器的耦合效率与输入信号的偏振态相关袁即在不同偏振模式之间存在显著的双折射现象袁会引起较大的偏振相关损耗渊PDL冤袁限制了一维光栅耦合器的应用场景遥为了实现偏振无关特性袁文献4-5设计了新型的一维光栅耦合器袁但由于 SOI 光波导本身存在显著的双折射效应袁 且 SOI 光器件通常工作在单一偏振模式下袁增加了设计的复杂性和增大了器件尺寸遥 为了解决这个问题袁文献6-7提出了二维光栅耦合器渊2D-GC冤遥2D-GC 可以耦合光纤模式中的任意偏振光袁将 P 偏振和 S 偏振转换成 2 个相同的波导偏振模式渊如 TE模式冤遥 文献8-9提出了二维光栅的垂直耦合方案袁但是该方案会引起严重的二阶反射袁二阶反射会对器件性能造成影响袁因此基于二维光栅的垂直耦合方案的应用受到限制遥 为了避免二阶反射袁最直接的办法是采用二维光栅的倾斜耦合方案11-13袁但是该方案会产生较大的 PDL遥 为了减少 PDL袁研究人员提出了多种优化方案袁包括使用相移器的有源方案10尧优化光栅单元的刻蚀图案11-12尧采用倾斜光栅单元阵列13等遥其中袁随着制造精度的提高袁优化光栅单元的刻蚀图案成为了一种广泛采用的解决方案遥 虽然这些方案优化了 2D-GC 在 C 波段渊1 5301 565 nm冤的 PDL和耦合损耗袁但依然有进一步改善的空间遥本文提出一种应用于 C 波段的基于 SOI 材料的新型 2D-GC袁 通过引入和优化多维度的设计参数袁有效降低 2D-GC 的耦合损耗和 PDL遥1 2D-GC 设计本文提出应用于 C 波段的新型 2D-GC 的结构示意图如图 1 所示遥 由图 1渊a冤可知袁该 2D-GC 由 12 滋m伊12 滋m 的光栅阵列和 2 个锥形波导构成遥 每个锥形波导一端连接光栅阵列袁另一端连接 SOI 波导袁其作用是将光栅的衍射模式转换为 SOI 波导所需的 TE 模式遥 图 1渊b冤中袁1尧2尧3尧4 分别为 4 个不同偏转角度的光栅刻蚀单元袁每个单元由相邻图案旋转 90毅得到袁如渊a冤 2D-GC 的俯视图渊b冤 俯视图中虚线里的光栅单元模型渊c冤 2D-GC 的截面示意图图 1 应用于 C 波段的新型 2D-GC 结构示意图专 题：光 器 件讁訛2023 年第 4 期单元 2 可由单元 1 或单元 3 旋转 90毅得到遥 每个单元由 2 对半径分别为2和1的圆组成遥 其中袁半径为2的 2 个圆的圆心连线与轴负方向的夹角为袁 与半径为1的 2 个圆心连线正交袁2 组圆心连线的交点到圆孔边缘的最小距离分别为2和1曰4 个圆心的连线呈菱形袁即菱形刻蚀单元遥 每个菱形刻蚀单元与相邻的刻蚀单元的倾角方向均不同袁这种设计的目的是消除部分背向反射袁从而降低 PDL遥 本文取菱形刻蚀单元中心点之间的距离作为光栅的周期 遥图 1渊c冤中袁器件层采用折射率为 3.48 的 Si袁 其厚度d为 220 nm袁2D-GC 由部分刻蚀的圆孔构成袁其刻蚀深度用etch表示曰上尧下包层渊UC尧LC冤均采用折射率为 1.45 的 SiO2袁其厚度分别用UC和LC表示曰 衬底层用于保障结构的机械强度遥 光源位于光栅阵列上方袁光源的入射方向与光栅阵列表面法线的夹角为渊 屹90毅冤袁可以消除垂直耦合导致的二阶反射遥2 仿真分析本文采用有限差分时域 渊FDTD冤 算法对所提的2D-GC的耦合损耗和 PDL 进行仿真遥通常根据耦合损耗衡量耦合效率袁本文在仿真中分别使用参数和表示耦合损耗和耦合效率袁那么两者关系为=10lg渊1冤P 偏振和 S 偏振的耦合损耗分别用P尧S表示袁由于耦合效率等于与之和袁那么P尧S可表示为=10lg渊+冤袁=P袁S渊2冤PDL 是P和S差值的绝对值袁以PDL表示袁其表达式为PDL=P-S渊3冤2D-GC 的峰值波长的表达式为=渊eff-csin 冤渊4冤其中袁eff为光栅的有效折射率袁c为覆盖层的折射率遥为消除垂直耦合引入的二阶反射袁 取值为 12毅12遥由于所提出 2D-GC 的结构参数较多袁本文挑选对耦合损耗和 PDL 影响较大的参数 渊 尧etch尧1尧2尧1尧2冤进行分析袁其它参数采用参考文献或现有 SOI 晶片的参数袁如表 1 所示遥2.1 光栅周期参数的影响当1=110 nm尧2=150 nm尧1=40 nm尧2=80 nm尧etch=105 nm 时袁P 偏振下袁光栅周期 对光栅耦合谱的影响如图2渊a冤所示遥 由于本文提出的 2D-GC 工作在 C 波段袁峰值波长会随着参数变化而改变袁因此图中展示了 1 4701 600 nm 的仿真结果遥 可以看出袁 的变化对耦合谱形状和峰值波长均造成明显的影响遥 当=630 nm 时袁峰值为-4 dB曰 当=650 nm 时袁峰值达到最优值袁约为-3.6 dB曰当=670 nm 时袁峰值减少袁并且伴随着明显的波形畸变遥每增大 20 nm袁会导致27 nm 的峰值红移渊向长波长方向移动冤袁该变化趋渊a冤 P 偏振下袁 对 2D-GC 的耦合谱的影响情况何万才袁耿敏明袁冯瑶袁等院应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化参数值光栅单元与轴的夹角/渊毅冤4511上包层的厚度UC/nm70012顶层硅的厚度d/nm220下包层的厚度LC/滋m2.5表 1 部分光栅参数图 2 光栅周期对 2D-GC 的仿真结果渊b冤 S 偏振和 P 偏振下袁2D-GC 的耦合损耗和 PDL 仿真结果专 题：光 器 件輥輮訛2023 年第 4 期何万才袁耿敏明袁冯瑶袁等院应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化专 题：光 器 件势与式渊4冤保持一致遥 当=650 nm 且在不同偏振态下袁2D-GC 的耦合损耗和 PDL 的仿真结果如图 2渊b冤所示遥 可以看出袁在 1 4801 580 nm 内的PDL 最大值为8 dB遥 在 P 偏振下袁光栅的峰值波长为1 540 nm曰在S偏振下袁光栅的峰值波长是1555nm遥 2 个偏振态的峰值波长偏离了 15 nm袁这是造成 PDL 偏大的主要原因遥 在 1 4801 540 nm 内袁2 个偏振态的耦合谱形状具有较好的相似性袁若能减小不同偏振态峰值波长的偏差袁比如将 P 偏振的耦合谱曲线红移袁则可以有效地降低 PDL遥2.2 圆孔刻蚀深度参数的影响当=650 nm尧1=110 nm尧2=150 nm尧1=40 nm尧2=80 nm 时袁 圆孔刻蚀深度etch对 2DGC 耦合谱的影响如图 3渊a冤所示遥 与 类似袁etch的变化对耦合谱形状和峰值波长均产生明显的影响遥可以看出袁当etch=75 nm时袁 耦合谱的波长在1 5201 600 nm 的波形较为平坦袁但峰值较小袁不符合光通信系统的要求曰当etch=115 nm 时袁 峰值达到最优值袁 大约为-3.5 dB曰 同时袁etch每增大20 nm袁 会引起峰值波长蓝移约 26 nm袁该现象同样可以用式渊4冤解释袁即当etch增大时袁更多的顶层硅被刻蚀袁造成光栅的eff减小袁使得峰值波长逐渐减小遥 当etch=115 nm 且在不同偏振态下袁2DGC的耦合损耗和 PDL 的仿真结果如图 3渊b冤所示遥 可以看出袁P尧S 偏振的耦合谱分别在 1 519尧1 531 nm 处取得最大值袁对应的峰值分别为-3.48尧-5.31 dB遥 由于P 偏振和 S 偏振的耦合谱波形差异较大袁 因此导致PDL较大遥 在 1 4801 540 nm的 PDL最大值是 2 dB袁即通过优化etch袁减小了不同偏振态峰值波长的偏差遥因此袁相对于图 2渊b冤袁图 3渊b冤中的 PDL 得到了显著改善遥此时袁峰值偏离 C 波段袁向短波长方向偏移袁但偏离量较小袁可以通过优化其它参数移回 C 波段袁同时进一步优化耦合损耗和 PDL遥2.3 刻蚀圆孔的相对位置参数的影响为了改善耦合损耗袁 需对刻蚀圆孔的相对位置1尧2进行优化遥 同时袁为了避免晶胞单元内和相邻单元间的圆形图案发生交叠而影响 2D-GC 的性能袁也为后续优化1和2提供足够的空间袁 本文将1尧2的变化范围限制在 2080 nm遥在 P 偏振下当etch=115 nm尧=650 nm尧1=110 nm尧2=150 nm 时袁1对 2D-GC 耦合谱的影响结果如图 4渊a冤所示遥 可以看出袁 在1=20 nm 时 2D-GC 的峰值最大袁大约为-2.7 dB曰1每增大 20 nm袁会导致 3 nm 的峰值波长蓝移袁且随着1增加袁峰值波长逐渐偏离 C波段袁耦合损耗从-2.7 dB 变化到-6.5 dB袁损耗增加了图 3 圆孔刻蚀深度etch对 2D-GC 的仿真结果渊b冤 S 偏振和 P 偏振下袁2D-GC 的耦合损耗和 PDL 的仿真结果渊a冤 P 偏振下袁etch对 2D-GC 的耦合谱的影响情况渊a冤2=80 nm 时1对 2D-GC 的耦合谱的影响情况輥輯訛2023 年第 4 期何万才袁耿敏明袁冯瑶袁等院应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化专 题：光 器 件3.8 dB遥 与 尧etch相比袁1对耦合损耗的影响较大而对峰值波长移动影响较小遥2对 2D-GC 的耦合谱的影响结果如图4渊b冤所示遥 可以看出袁当2从 20 nm 增加到80 nm时袁峰值从-2.4 dB 变化到-2.7 dB遥与1相比袁2对耦合损耗的影响较小遥2每增大 20 nm袁峰值波长蓝移 3 nm曰与1类似袁2对峰值波长的漂移影响也较小遥 PDL 与2的关系如图4渊c冤所示遥 可以看出袁当2=20 nm 时袁C 波段内的 PDL 小于等于 3 dB曰当2=60 nm 时袁C 波段内的 PDL小于等于 1 dB曰 当2=80 nm时袁C 波段内的 PDL 平均值大于2=60 nm 的 PDL 平均值遥 通过权衡该 2D-GC 的耦合损耗和 PDL袁 本文选取2=60 nm遥2.4 刻蚀圆孔半径参数的影响在 P偏振下袁 当etch=115 nm尧=650 nm尧1=20 nm尧2=60 nm 时袁 刻蚀圆孔半径2对 2D-GC 耦合谱影响的情况如图 5渊a冤所示遥 可以看出袁2在 90150 nm 内变化时袁 峰值变化不大曰当2=130 nm 时袁2D-GC 的峰值最高袁达到了-2.4dB遥因此袁本文选取2=130 nm进行优化遥1与2类似袁对耦合损耗的影响不大袁但对 PDL的影响较大遥1对 2D-GC 的 PDL 的影响情况如图 5渊b冤所示遥 可以看出袁当1=100 nm时 C 波段内的 PDL最小值为0.31 dB曰当1继续增加袁PDL出现恶化遥 结合图 5渊a冤和图5渊b冤可知袁调节半径对耦合效率影响较小袁但可以有效调节峰值波长的位置袁当 2 个偏振的耦合谱重合时袁PDL 可明显降低遥 但是袁此时1=100 nm 的峰值波长位于 C 波段的长波长侧袁 损失了部分的工作带宽袁需要微调2即可完成左移袁2需增加到 140 nm 才能将渊a冤1=110 nm袁2对 2D-GC 耦合谱的影响情况图 4 刻蚀圆孔的相对位置的仿真结果渊b冤1=20 nm 时2对 2D-GC 的耦合谱的影响情况渊c冤1=20 nm 时袁2对 2D-GC 的 PDL 的影响情况渊b冤2=130 nm袁1与 PDL 的关系輥輰訛2023 年第 4 期何万才袁耿敏明袁冯瑶袁等院应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化专 题：光 器 件耦合峰值波长移至1 546 nm遥 由于2发生了微调袁必然影响耦合损耗和PDL袁可通过控制1来进一步优化遥 在S偏振和 P 偏振下袁1与2D-GC 的耦合损耗和PDL 的关系如图 5渊c冤所示遥可以看出袁当增加1时 S 偏振的 峰值相对于 P 偏振的峰值会逐渐上升袁并且两偏振的耦合谱线更加重合曰 当1=105 nm 时袁C波段的 PDL达到最小渊0.16 dB冤袁此时偏振的峰值为-2.4 dB曰继续增加1袁两偏振的耦合谱线会逐渐分离袁导致该波段的PDL增加遥此时袁2D-GC 的耦合峰值波长为 1 540 nm袁对应的最佳耦合损耗为-2.4 dB袁C 波段内的 PDL低于0.2 dB遥2D-GC 的 1 dB 工作带宽渊BW1 dB冤尧3 dB 工作带宽渊BW3 dB冤袁即耦合谱中峰值耦合损耗以下 1尧3 dB 的波长范围分别为 36尧58nm遥 因此袁本文所提 2D-GC 的性能符合光通信应用需求遥 优化后的 2DGC 的主要参数如表 2 所示遥2.5 环境温度对 2D-GC 的影响在实际应用中袁环境温度影响材料的有效折射率袁有效折射率的变化影响 2D-GC 的性能遥其中袁温度对 SiO2的有效折射率影响很小15袁因此忽略 SiO2遥本文通过计算得出了特定温度下Si 的有效折射率16-17袁如表 3 所示遥 当etch=115 nm尧=650nm尧1=20nm尧2=60nm尧1=105 nm尧2=140nm时袁本文对顶层硅的有效折射率进行仿真袁得到温度对2D-GC的S尧P 偏振的耦合损耗和 PDL 的影响情况袁如图 6 所示遥 可以看出袁当从-13.15 益增加到 66.85 益时袁S尧P偏振态的峰值均不低于-2.4 dB袁并且两偏振态的耦合损耗变化不大曰温度每增加40 毅C袁峰值波长红移3 nm曰当=-13.15 毅C 时袁C 波段的 PDL 最大值为 0.3 dB袁继续增加波长袁PDL 减小曰 当=26.85 毅C 时该波段的 PDL小于 0.2 dB袁继续增加波长袁该波段的 PDL 基本保持不变遥近年有代表性的 2D-GC 的关键性能指标如表 4 所示遥 虽然文献13尧文献14中的耦合损耗达到-1.8 dB袁但是其 2DGC 均采用了金属反射器袁 增加了工艺的复杂性遥 文献8的耦合损耗性能具有优势袁但其方式是参数值光栅周期/nm650刻蚀深度etch/nm115圆孔半径1/nm105圆孔半径2/nm140圆孔1的相对位置1/nm20圆孔2的相对位置2/nm60表 2 优化的 2D-GC 的结构参数图 6 温度对 2D-GC 的 S尧P 偏振态的耦合损耗和 PDL 的影响情况表 4 近年典型的 2D-GC 的关键性能指标参考文献/dBPDL/dBBW1 dB/nm发表年份11-5.61-201514-1.8132201812-3.40.2-201913-1.80.22920208-1.90.2422021本文-2.40.2362023图 5 刻蚀圆孔半径的仿真结果渊c冤2=140 nm袁在 S尧P 偏振下袁1与 2D-GC 的耦合损耗和 PDL 的关系表 3 不同温度下,=1 550 nm时 Si 的有效折射率/毅CSi 的有效折射率-13.153.4726.853.4866.853.488輥輱訛2023 年第 4 期何万才袁耿敏明袁冯瑶袁等院应用于 C 波段的二维光栅耦合器的设计与优化专 题：光 器 件将 4 个方向的散射光都收集起来袁这需要考虑光走不同路径的相位问题袁增加了额外的调控模块遥 综上袁本文提出的 2D-GC 在不增加设计复杂性的情况下袁具有低耦合损耗尧超低 PDL尧工作带宽大的优势遥3 结束语本文提出了一种应用于 C 波段的 2D-GC袁由四孔交错菱形排布的晶胞单元周期排列构成遥 分别对所提2D-GC 的光栅周期 尧圆孔刻蚀深度etch尧刻蚀圆孔的相对位置1和2尧 刻蚀圆孔半径1和2进行了优化袁有效降低了 2D-GC 的耦合损耗和 PDL遥 仿真结果表明院本文提出的 2D-GC在1 540nm处的耦合损耗为-2.4 dB袁C 波段的 PDL低于 0.2 dB袁1尧3 dB 带宽分别是 36尧58 nm袁且温度对 2D-GC 的 CL 和 PDL 影响不大遥参考文献:1蒋佳袁耿敏明袁刘嫱袁等.基于三环辅助Mach-Zehnder干涉仪的带宽可调滤波器设计J.光子学报袁2021袁50渊7冤院283-292.2 GENG M,TANG Z,CHANG K,et al.N-port strictly non-blockingoptical router based on Mach-Zehnder optical switch for photonic net-works-on-chipJ.Optics Communications,2017,383:472-477.3 CHEN X,THOMSON D J,CRUDGINTON L,et al.Dual-etch apodisedgrating couplers for efficient fibre-chip coupling near 1310 nm wavelengthJ.Optics Express,2017,25渊15冤:17864-17871.4 CHENG Z,TSANG H K.Experimental demonstration of polarization-insensitive air-cladding grating couplers for silicon-on-insulator 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