氮化硅片上光栅耦合器的优化和实验_冉娜.pdf

0113002-1第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报研究论文氮化硅片上光栅耦合器的优化和实验冉娜，陈昕阳，汪正坤，张洁*重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044摘要 在 785 nm 激励的拉曼片上传感器结构中，氮化硅片上光栅耦合器的性能直接关系到激励光的耦合效果。首先建立了光栅耦合器的二维、三维结构模型，采用时域有限差分（FDTD）仿真软件对光栅耦合器进行数值分析。以耦合效率为主要性能指标，分析了光源入射角度、光栅常数、光栅高度、填充因子和光栅刻蚀深度各参数的影响。采用电子束光刻法制备了光栅耦合器。最后，对三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器进行了测试。结果表明，二维波导光栅耦合器的性能最好，其耦合效率可达 39.64%，三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器在实际测试中的耦合效率能达 19.91%。光栅耦合器能有效将光耦合进波导中，在波导传感中具有潜在的应用。关键词 集成光学；光栅耦合器；氮化硅波导；结构优化；耦合效率中图分类号 TN26 文献标志码 A DOI：10.3788/AOS2213071引 言拉曼光谱检测系统片上化集成是目前拉曼光谱技术的研究热点，其将波导与拉曼相结合1-3。其中，有效地将激励光波耦合进波导对于拉曼光谱传感和信号采集尤其重要，目前该过程主要采用波导光栅耦合器来实现。波导光栅耦合器主要分为直波导光栅耦合器和聚焦波导光栅耦合器两类。赵然等4-5设计了亚波长光栅耦合器，其耦合效率高达 90%。Sacher 等6设计了一种对氮化硅和硅进行相间刻蚀的直波导光栅耦合器，该光栅耦合器在 C波段附近能实现高耦合效率，耦合效率最高达-1.3 dB。Benedikovic等7设计了一种在 220 nm 厚的 SOI（silicon-on-insulator）衬底上进行阵 列 刻 蚀 的 直 波 导 光 栅 耦 合 器，该 光 栅 耦 合 器 在1550 nm 和 1300 nm 波长附近分别实现了-1.97 dB和-1.61 dB 的耦合效率。Gao 等8设计了一种直硅波导光栅耦合器，将其作为角度检测器，检测角度范围为25。Larrea等9通过半解析法设计了一种直硅波导光栅 耦 合 器，在 1550 nm 和 1300 nm 波 长 附 近 实 现 了50%的耦合效率。Hong 等10设计了一种包括分段光栅的直硅波导光栅耦合器，在 1550 nm 波长处实现了51.70%的耦合效率。Xu等11设计了一种增加金属膜和反射光栅的聚合物直波导光栅耦合器，在 1550 nm波长下，其最高耦合效率为 51.30%。van Laere 等12设计了一种聚焦型波导光栅耦合器，在 1550 nm 波段附近实现了 20%的耦合效率。Zhao 等13结合聚焦光栅和逆锥度设计，制备了聚焦波导光栅耦合器，其在 C波段的耦合效率为-3.7 dB。Cheng等14设计了一种可 以 工 作 在 双 波 段 的 聚 焦 波 导 光 栅 耦 合 器，在1310 nm 和 1490 nm 波长附近分别实现了-5.86 dB和-4.26 dB的耦合效率。现有的光栅耦合器大多都是对 C 波段进行研究，且光栅耦合器结构设计较复杂，制备工艺难度较大。由于氮化硅的透明窗口在 4003500 nm 之间，范围较宽15，且氮化硅的折射率较为适中（约为 2.3），其与周围材料的大折射率差足以将光波的能量束缚在波导层中，减小损耗。因此，本文设计了氮化硅片上光栅耦合器，激励光源为 785 nm。该光栅耦合器结构简单，制备工艺简单。以耦合效率为主要性能指标，对直波导和聚焦波导均作了研究并进行了光栅耦合器测试实验，这为研究 785 nm 波段附近的光栅耦合器提供了基础，该光栅耦合器能将激励光有效地耦合进波导，也为拉曼光谱传感和信号采集提供了有效的帮助。2原 理2.1基本原理光栅耦合器是一种周期性结构，激光通过光纤传输到光栅耦合器上方，经过光栅作用后产生衍射输出光，部分衍射光会耦合进波导中。常用布拉格公式来研究耦合过程16，其表示了入射光波矢量与衍射光波矢量之间的关系，布拉格公式为=kinc+mk，（1）收稿日期：2022-06-13；修回日期：2022-07-06；录用日期：2022-07-11；网络首发日期：2022-07-21基金项目：国家自然科学基金（62175023，61875024）、重庆市杰出青年基金（cstc2019jcyjjqX0018）通信作者：*0113002-2研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报式中：表示波导的传播常数；kinc表示入射光的波数，且kinc=2n1()0sin（0为入射光波长，为光源入射角，n1为 空 气 折 射 率）；k表 示 光 栅 矢 量 大 小 且k=2，为 光 栅 常 数；m 为 衍 射 级 次（m=0，1，2，）。二维光栅耦合器的结构如图 1 所示，上层是折射率为 n1=1 的空气，波导层是折射率为 n2=2.3 的氮化硅，衬底是折射率为 n3=1.4 的二氧化硅，从而增大了折射率对比度。当光栅耦合器的光栅常数 0 neff（neff为光栅耦合器的有效折射率）时，光波以偏离 y 轴方向的 角度入射，经过光栅衍射作用后，光波将在波导中沿-x轴方向传播。在图 1中，入射光通过光纤耦合进波导中，其中一部分光能在波导中稳定传播，即 Pe，另一部分光传播到衬底中，即 Pt。光栅的刻蚀深度为 h，刻蚀宽度为 Le，未刻蚀宽度为 Lo，且=Le+Lo，光栅的填充因子 Ff表示了未刻蚀宽度与光栅常数的比值17，即 Ff=Lo/。光栅耦合器的有效折射率 neff取决于光栅耦合器的结构，由刻蚀部分的折射率 ne和未刻蚀部分的折射率 no表示9，即neff=Ffno+(1-Ff)ne。（2）刻蚀高度 h 会影响 ne，ne会随 h 的增大而减小；刻蚀宽度会影响填充因子，Ff会随 Le的增大而减小，进而影响 neff。光纤中的入射光波以 角进入光栅耦合器，耦合光的传播方向沿着-x轴，光波随后进入波导中。此时，布拉格方程可变为2neff0=2n10sin +2，（3）对 式（3）进 行 变 形，光 栅 常 数 可 表 示 为=0neff-n1sin。根据式（3），当入射光波长与角度均确定时，可以计算出光栅常数的取值范围。但要注意的是，刻蚀高度 h、刻蚀宽度 Le均会影响光栅常数的取值，在结构设计时，要考虑两者的影响。在本次设计中，光栅耦合器的耦合效率 定义为波导端面接收到的功率 Pout与入射光源的功率 Pin之比，即=PoutPin。（4）2.2结构设计本文中主要考虑将一级衍射光波耦合进波导。为了保证 TM 模式的传播，波导层的高度 H 必须大于TM 模的截止厚度 t18。对于 TM 模式，t可表示为t=m+arctan()n23-n21n22-n230.5k()n22-n230.5，（5）式中：k=2n2/0。当入射光波长为 785 nm、m=1时，t=108.19 nm。为 了 便 于 计 算，假 设 填 充 因 子 Ff=0.5，刻 蚀 高 度 h=H/2，此 时，neff=1.98，0/neff=397.47 nm，因此 397.47 nm。在本次设计中，希望将一阶衍射光耦合进波导中，因此光源入射角度不宜过大。根据前期实验，选定光源入射角 10，=0.47 m。3结果与分析3.1二维光栅耦合器仿真与优化FDTD仿真是利用空间离散化和有限差分来求解麦克斯韦方程组。本次仿真的主要目的是有效地探索光源入射角度、光栅常数、光栅高度、填充因子和刻蚀深度各参数的最佳值。首先，对二维平面光栅耦合器进行研究分析。将光源固定在光栅耦合器上方 1.59 m 和右边 3.09 m处，光栅常数、光栅高度、填充因子和光栅刻蚀深度的初始值分别定为 0.47 m、0.26 m、0.50 和 0.13 m。激励光波入射角度对耦合效率的影响如图 2（a）所示，当入射角度为 9时，耦合效率最高，约为 36%。当入射角度过大时，高级次的衍射光会进入波导中。根据衍射原理，衍射级次越大，衍射光的能量越低，因此耦合效率会降低。当入射角过小时，进入波导中的光可能是零级衍射光。其他参数保持不变，激励光源的入射角度为 9，填充 因 子 Ff对 耦 合 效 率 的 影 响 如 图 2（b）所 示。当图 1二维光栅耦合器示意图Fig.1Schematic diagram of two-dimensional grating coupler0113002-3研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报Ff=0.514 时，耦合效率最高，约为 39%。基于同样的仿真过程，得到刻蚀深度 h、光栅高度 H 和光栅常数 对耦合效率的影响如图 2（c）所示。当 h=0.132 m、H=0.260 m、=0.455 m 时，耦合效率最高，约为39%；h 过小会降低折射率对比度，进而降低耦合强度；当 h 增大时，折射率对比度和耦合强度都得到提高，但光栅的反射率也提高了，从而也会导致耦合效率降低。光栅常数与入射角共同决定了衍射级次，当衍射级次为 1、光源入射角度为 9时，根据仿真分析，=0.455 m时，光栅耦合器的耦合效率最高。根据上述的参数扫描及优化，光栅耦合器的耦合效率139.64%。为了更形象地展示光栅耦合器的耦合作用，截取了优化光栅耦合器的电场分布，如图 2（d）所示，光源进入耦合器之后，沿着-x轴方向进入波导中。3.2三维光栅耦合器仿真与优化以上述二维光栅耦合器的优化结果为基础，建立了三维光栅耦合器的结构模型，如图 3所示。三维直波导光栅耦合器、三维半刻蚀聚焦波导光栅耦合器和三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器的结构优化参数如表 1 所示，其光场分布分别如图 4（a）（f）所示。图 2各参数对耦合效率的影响及光栅耦合器电场分布图。（a）耦合效率随入射角度的变化；（b）耦合效率随填充因子的变化；（c）耦合效率随光栅刻蚀深度、光栅高度和光栅常数的变化；（d）二维光栅耦合器电场分布图Fig.2Effect of various parameters on coupling efficiency and electric field distribution of grating coupler.(a)Coupling efficiency varying with angle of incidence;(b)coupling efficiency varying with fill factor;(c)coupling efficiency varying with grating etching depth,grating height,and grating constant;(d)electric field profiles of 2D grating coupler图 3三维直波导光栅耦合器示意图Fig.3Schematic diagram of 3D direct waveguide grating coupler0113002-4研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报根据仿真分析，三维直波导光栅耦合器的耦合效率 2=23.43%，半刻蚀聚焦波导光栅耦合器的耦合效率 3=37.52%，聚焦全刻蚀波导光栅耦合器的耦合效率 4=21.29%。相比于直波导光栅耦合器，聚焦光栅耦合器减小了耦合器的结构尺寸，同时保证了较低的模式转换损耗19。聚焦光栅耦合器的弧形光栅沟道都聚焦在波导和耦合器的连接之处，它可以将耦合光聚焦到波导层中，实现了光纤与波导的高效耦合20。这里需要说明的是，本文的仿真分析基于 785 nm 的激励光波，在优化的结构参数条件下，聚焦光栅耦合器的耦合效率低于二维直波导光栅耦合器，略高于三维直波导光栅耦合器。全刻蚀和半刻蚀聚焦光栅的耦合效率出现差异的主要原因是：由于对全刻蚀聚焦波导光栅耦合器进行了全刻蚀处理，一个光栅周期包括一定宽表 1三维波导光栅耦合器的结构优化参数Table 1Structural optimization parameters of 3D waveguide grating couplersType of 3D grating coupler3D direct type3D half etched and focused type3D fully etched and focused typeAngle of incidence/（）6.056.7810.96Height of grating couplerH/nm256256303Etching depthh/nm152163303Grating constant /nm478480533FillfactorFf0.400.430.71Width of waveguidew/nm1000500500Angle of grating coupler/（）-2222图 4光栅耦合器的 xz与 xy面电场分布图。（a）（b）三维直波导光栅耦合器；（c）（d）三维半刻蚀聚焦波导光栅耦合器；（e）（f）三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器Fig.4xz and xy surface electric field profiles of grating coupler.(a)(b)3D direct waveguide grating coupler;(c)(d)3D half etched and focused waveguide grating coupler;(e)(f)3D fully etched and focused waveguide grating coupler0113002-5研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报度的氮化硅和高度低一些的一定宽度的二氧化硅；半刻蚀聚焦波导光栅耦合器的一个光栅周期包括一定宽度的氮化硅和高度低一些的一定宽度的氮化硅。氮化硅的反射率稍高于二氧化硅的反射率，这对光栅的耦合效率有一定的提高作用。另外，全刻蚀和半刻蚀带来的聚焦光栅区域的有效折射率不一样，这也会对耦合效率产生一定的影响。3.3三维聚焦全刻蚀波导光栅耦合器的测试受工艺手段的限制，利用电子束光刻法加工制备了三维聚焦全刻蚀波导光栅耦合器，氮化硅波导加工流程如图 5所示，光栅耦合器的结构参数如表 2 所示，其 SEM 表征如图 6所示。三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器的测试系统如图7 所示，系统的主要光学器件包括安扬激光（TSL）的SC-PRO-M 型超连续谱光源、可调窄带滤波器（可以对 输 入 光 波 长 进 行 选 择）、鑫 锐 光 SMA 的 9 mm/125 mm 光纤（作为输入/输出光纤）和 AQ6370D 光谱仪（采集输出光谱信号）。通过对光谱信号在一定波长范围内的积分可以获得光功率，再进行耦合效率的计算。在测量过程中，光源经过可调窄带滤波器后，光纤将输入光耦合到光栅耦合器，输入光经过氮化硅直波导，光栅耦合器将输出光耦合到接收光纤中，最后将光传到光谱仪中进行测量。图 5Si3N4波导制作流程Fig.5Production process of Si3N4 waveguide表 2三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器的结构优化参数Table 2Structural optimization parameters of 3D fully etched and focused waveguide grating couplerAngle of grating coupler/（）22Etch depthh/nm300Grating constant /nm670Fill factorFf0.78Width of waveguidew/nm150图 6三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器 SEM 图像。（a）全貌图；（b）刻蚀结构Fig.6SEM images of 3D fully etched and focused waveguide grating coupler.(a)Overall view;(b)etching structure0113002-6研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报由于光纤传输损耗较小，进入光栅耦合器的光功率可近似等于光源发出的光功率，因此，可以得到出射光功率 Pout与入射光功率 Pin的关系为Pout=Pin 2 10-L，（6）式中：是光栅耦合器的耦合效率；是氮化硅直波导的损耗系数；L 是氮化硅直波导的长度。当保持光源持续输出及平台稳定时，Pin不变。由此可得 的计算公式为=10lg()Pout2Pout1L1-L2，（7）式中：Pout1是直波导长度为 L1时的输出；Pout2是直波导长度为 L2时的输出。首先制备了不同长度的直波导器件，以测试氮化硅波导的损耗系数。测试时保持光源、光入射角度、光谱仪等其他测试条件完全相同，测得不同长度的氮化硅波导的传播损耗如图 8 所示，经过拟合处理得到了氮化硅波导的损耗系数=1.267 dB/mm。制备过程会导致晶圆残渣或胶残留在样品上，从而增大了氮化硅波导的损耗，导致波导损耗系数偏大。后续可以进一步优化工艺处理过程。图 8波导损耗随波导长度的变化曲线图Fig.8Plot of waveguide loss varying with waveguide length光栅耦合器的耦合效率 的计算表达式为=(PoutPin 10L)12。（8）接着，选用 L=200 m 的直波导进行测试。在测试过程中，保持其他测试条件不变，通过可调窄带滤波器改变耦合输入光的波长，进行光谱带宽测试，测试得到的光栅耦合器对不同波长光波的耦合效率如图 9所示。保持光源持续输出和各测试条件不变，通过可调窄带滤波器输出 785 nm 波长的光，制备的全刻蚀聚焦光栅耦合器的耦合效率测试结果如表 3所示。根据表 3，可得平均耦合效率约为 19.91%。测试结果和上述仿真结果相比有略微差别，其主要原因在于制备工艺误差导致光栅耦合器的表面不完全平整，使得仿真模型和实际测试结构有所偏差，从而影响光栅耦合器的耦合效率。图 7光栅耦合器测试系统图Fig.7Test system diagram of grating coupler图 9光栅耦合器的光谱带宽测试结果Fig.9Test result of spectral bandwidth of grating coupler表 3全刻蚀聚焦耦合光栅对 785 nm 光的耦合效率测试结果Table 3Test results of coupling efficiency of fully etched and focused coupling grating at 785 nmTest12345Incident optical powerPin/mW1.51.51.51.51.5Emergent light powerPout/W32.8032.6433.1233.7633.60Coupling efficiency/%19.8019.7519.8920.0820.040113002-7研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报4结 论对 2D、3D 氮化硅波导光栅耦合器进行了数值分析和优化，并进行了器件加工和性能测试研究。结果表明：2D 波导光栅耦合器的性能最好，其耦合效率可达 39.64%；3D 全刻蚀聚焦光栅耦合器在实际测试中的耦合效率能达约 19.91%，能有效将光耦合进波导中。后续还可以在光栅耦合器的材料选择上和结构设 计 上 进 行 优 化，进 一 步 提 高 光 栅 耦 合 器 的 耦 合效率。参考文献1Halir R,Ortega-Moux A,Schmid J H,et al.Recent advances in silicon waveguide devices using sub-wavelength gratingsJ.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2014,20(4):279-291.2Zhang J J,Yang J B,Xin H,et al.Ultrashort and efficient adiabatic waveguide taper based on thin flat focusing lensesJ.Optics Express,2017,25(17):19894-19903.3刘少平,姜小明,赖林,等.基于平板波导-金纳米颗粒基底的表面增强拉曼散射信号长程探测J.激光与光电子学进展,2021,58(23):2330003.Liu S P,Jiang X M,Lai L,et al.Long-range detection of surface-enhanced Raman scattering signal based on flat-plate waveguide-gold nanoparticles substrateJ.Laser&Optoelectronics Progress,2021,58(23):2330003.4赵然,孙崇磊,徐晓,等.基于亚波长光栅的高集成度垂直光耦合器J.光学学报,2020,40(14):1405002.Zhao R,Sun C L,Xu X,et al.Ultra-compact vertical optical coupler based on subwavelength gratingJ.Acta Optica Sinica,2020,40(14):1405002.5刘萌,郑煊,刘文斐,等.基于亚波长线光栅的垂直光栅耦合器的设计J.激光与光电子学进展,2021,58(17):1705002.Liu M,Zheng X,Liu W F,et al.Design of vertical grating coupler based on sub-wavelength line gratingsJ.Laser&Optoelectronics Progress,2021,58(17):1705002.6Sacher W D,Huang Y,Ding L,et al.Wide bandwidth and high coupling efficiency Si3N4-on-SOI dual-level grating couplerJ.Optics Express,2014,22(9):10938-10947.7Benedikovic D,Cheben P,Schmid J H,et al.High-efficiency fully etched fiber-chip grating couplers with subwavelength structures for datacom and telecom applicationsJ.Proceedings of SPIE,2015,9516:95160I.8Gao Y,Liu Y F,Liao J L,et al.Study on angle detection capability of silicon waveguide grating couplerJ.Proceedings of SPIE,2018,10848:1084807.9Larrea R,Gutierrez A M,Sanchis P.Design method for high performance grating couplers in photonic integrated circuitsJ.Optical and Quantum Electronics,2018,50(9):341.10Hong J X,Qiu F,Spring A M,et al.Silicon waveguide grating coupler 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focus of Raman technology,especially combining waveguide with Raman,and effectively coupling excitation light into waveguide is particularly important for Raman spectroscopy sensing and signal collection.The process is mainly realized by waveguide grating couplers.However,the majority of the waveguide grating couplers are studied for the C band.In addition,the physical designs of the grating couplers are very complex and the preparation processes are difficult.The transparent window of the silicon 0113002-8研究论文第 43 卷 第 1 期/2023 年 1 月/光学学报nitride used in this paper is between 400 nm and 3500 nm.It has a wide range and a high refractive index,which can form a refractive index difference with the surrounding materials to bind the energy of the light in the waveguide layer,and it can reduce the transmission loss of light in the waveguide.The grating coupler designed here has a simple structure and preparation process.Besides,the wavelength of excitation light is 785 nm,which is also commonly used in Raman sensing.The grating couplers studied here can effectively couple the excitation light into the waveguide,and it is helpful for Raman spectroscopy sensing and signal collection.MethodsFirstly,we have a theoretical analysis based on the principle of the grating coupler and analyze the interaction of parameters and the effect of each parameter on the coupling efficiency.Then the two-dimensional and three-dimensional models of the grating couplers are established,and the finite difference time domain(FDTD)simulation software is used to analyze them.With coupling efficiency as the main performance index,the influences of incident angle,grating constant,grating height,filling factor,and etching depth are analyzed to achieve the maximum of the coupling efficiency of the grating couplers.Electron beam lithography is used to prepare three-dimensional fully etched and focused waveguide grating couplers and an optical system including a supercontinuum source,tunable narrow bandpass filters which can select the wavelength of incident light,optical fibers which are used as the input and output fibers,and a spectrometer which collects output spectral signal is built.Then the prepared grating couplers are tested experimentally.In the test,direct waveguide devices of different lengths are prepared to test the loss factor of silicon nitride waveguide,and the test conditions such as light source,angle of incidence,and spectrometer are kept exactly the same.Next,the coupling efficiency of the grating coupler is tested.After the laser from the light source passes through the tunable narrow bandpass filter,the optical fiber couples the incident light into the grating coupler,the input light passes through the silicon nitride direct waveguide,then the grating coupler couples the light into the output optical fiber,and the output light is transmitted to the spectrometer for measurement.Finally,the coupling efficiency of the grating couplers is calculated according to the relationship of power of emergent light and in