基于SOI的类梅花型二维光栅耦合器.pdf

2023 年第 4 期专 题：光 器 件基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器Plum-like two-dimensional grating coupler based on SOIFENG Yao1,GENG Minming1袁2袁3袁4*,HE Wancai1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 Laboratoryof Multimedia Communications and Network Technology,Nanning 530004,China;3.KeyLaboratory 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:In order to design a two-dimensional grating coupler渊2D-GC冤with high efficiency and low polarization coupling relat-ed loss,a plum-like 2D-GC based on silicon-on-insulator渊SOI冤is proposed.The 2D-GC is composed of several cells arrangedperiodically,and the pattern of each cell is like plum blossom.The cell in the structure is composed of two pairs of circular pat-terns.The finite difference time domain渊FDTD冤method is used to simulate and optimize the structure parameters of the 2D-GC.The simulation results show that the effective working band of the proposed 2D-GC is 1.5251.6滋m,the optimal coupling effi-ciency is 56%,the corresponding coupling loss is-2.4 dB,and the polarization related loss is 0.18 dB when the parameter struc-ture is optimized.Key words:silicon-on-insulator,two-dimensional grating coupler,plum-like,polarization,coupling loss冯 瑶1,2，耿敏明1,2,3,4*，何万才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冤摘要院为设计出高效率且低偏振耦合相关损耗的二维光栅耦合器(2D-GC)，提出一种基于绝缘体上硅（SOI）的类梅花型2D-GC。该 2D-GC 由多个单元周期排列而成，每个单元的图案呈类梅花型，该结构中的晶胞由 2 对圆形图案构成，并采用时域有限差分（FDTD）法对 2D-GC 结构参数进行数值仿真优化。仿真结果表明：在最佳优化参数结构时，所提 2D-GC 的有效工作波段为 1.5251.6m，最佳耦合效率为 56%，对应的耦合损耗为-2.4 dB，偏振相关损耗为 0.18 dB。关键词院绝缘体上硅；二维光栅耦合器；类梅花型；偏振；耦合损耗中图分类号院TN252文献标志码院A文章编号院1002-5561渊2023冤04-0001-07DOI院10.13921/ki.issn1002-5561.2023.04.001开放科学渊资源服务冤标识码渊OSID冤院引用本文院冯瑶袁耿敏明袁何万才袁等.基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器J.光通信技术袁2023袁47渊4冤院1-7.0 引言由于绝缘体上硅 渊SOI冤 与互补金属氧化物半导体渊CMOS冤的制备工艺具有良好的兼容性和实现高集成度光子尧光电芯片的发展潜力1-2袁使得基于集成光路的片上/片外耦合器被广泛研究与应用3遥 基于单模光波导的横截面通常为 500 nm伊220 nm4袁而标准单模光纤的直径约为 10.4 滋m袁 两者的形状和尺寸都存在很大的差异袁导致光信号在两者之间传输时产生的耦合损耗较大5遥 目前袁降低耦合损耗常见的方式有 2 种院平面内渊对接冤边缘耦合6-8和平面外垂直耦合9-11遥 其中袁平面内边缘耦合的效率通常较高7袁且对准精度要求很高袁即光纤和波导必须置于同一水平面并确保双方中心对准袁同时还需要锥型的单模光纤才能保证足够的耦合效率渊CE冤12曰平面外垂直耦合则可以容忍较大的对准公差袁但其 CE 相对较低袁且对偏振比较敏感13遥垂直耦合的核心器件通常是光栅袁光栅的结构分为一维光栅和二维光栅遥 一维光栅耦合器渊1D-GC冤结收稿日期院2022-12-07遥基金项目院国家自然科学基金项目渊61741504尧61965003尧61661004冤资助曰广西自然基金项目渊2018GXNSFAA294133冤资助遥作者简介院冯瑶渊1992要冤袁男袁硕士研究生袁贵州省普安县人袁现就读于广西大学计算机与电子信息学院计算机科学与技术专业袁主要研究方向是信息处理与通信网络系统-硅基集成化光学神经网络拓扑结构及其关键器件遥*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譹訛2023 年第 4 期构较为简单袁但偏振相关性较强14-15袁无法用于处理偏振态随机变化的光信号遥 尽管文献16-18已经提出了偏振不敏感或偏振分束的 1D-GC袁但大多数硅光子集成芯片渊PICs冤是为横电波渊TE冤模式设计的袁因此 1D-GC 需要添加额外的偏振旋转器袁 这不仅使 PICs 的设计复杂化袁而且会增大 PICs 的面积遥 文献19-24使用了 2 个正交的 1D-GC 组合而成的二维光栅耦合器渊2D-GC冤来解决偏振相关性问题袁同时在 2D-GC 上端使用具有一定倾斜角度的非垂直入射光源减少二阶反射袁从而提高 CE遥 2D-GC 能处理任意偏振态的输入光信号袁并以 TE 偏振态输出至后续的光器件袁即同时实现偏振的分束和旋转25-29遥 但是袁倾斜耦合也会直接导致S 偏振和 P 偏振之间的耦合谱位移袁 造成偏振相关损耗渊PDL冤较大遥 为减小 PDL袁2009 年袁VAN F等人30提出结构紧凑的基于聚焦光栅结构的 2D-GC袁其长度为普通非聚焦 2D-GC 的 1 8袁且 PDL 低于 0.4 dB袁但其耦合损耗较大袁 为-5.68 dB 渊CE 为 27%冤遥 2017 年袁SOBU Y 等人31提出基于十字型单元图案的 2D-GC袁其耦合损耗为-4.03 dB渊CE 为 39.5%冤袁PDL 小于 0.5 dB袁该方案在调试过程中相对简便袁但器件性能还需要改进和提高遥 2021 年袁ZHANG Z 等人32提出了具有热光相位延迟线的有源结构的 2D-GC袁 该 2D-GC 的耦合损耗为-1.87 dB渊CE 为 65%冤袁PDL 小于 0.2 dB袁但附加的有源结构增加了系统设计尧 制备和调试的复杂性遥为了解决以上问题袁本文提出一种基于 SOI 的类梅花型 2D-GC遥1 基于 SOI 的类梅花型 2D-GC 结构设计传统 2D-GC 俯视图和基于 SOI 的 2D-GC 结构如图 1 所示遥 图 1渊a冤为传统 2D-GC 的俯视图袁它由 1 个二维光栅和 2 个正交的线性锥形输出波导组成袁其中的二维光栅由周期排列的圆孔单元组成袁每个圆孔对应一个晶胞遥 图 1渊b冤为本文提出的类梅花型 2D-GC结构俯视图袁该结构中的晶胞由 2 对不同半径的圆构成袁其中较小的 1 对圆渊半径为1冤相切袁较大的 1 对圆渊半径为2冤相交袁并且相交的 2 个圆的弧线分别经过彼此的圆心遥 所提 2D-GC 采用非垂直耦合方式以提高 CE袁其示意图如图 1渊c冤所示遥图中袁 为顶硅层厚度袁 为光栅周期袁为埋氧化层厚度袁为刻蚀深度遥光纤入射光在 2D-GC 的2 个输出端之间以 45毅角入射袁由于光纤采用倾斜耦合袁光的 S 偏振平行 2D-GC平面袁P 偏振与光栅平面之间存在一定角度19-22袁并且P偏振的输入电场略微倾斜到2D-GC 平面遥 传统的二维渊a冤 传统 2D-GC 俯视图冯瑶袁耿敏明袁何万才袁等院基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器渊b冤 类梅花型 2D-GC 结构俯视图渊c冤 类梅花型 2D-GC 立体示意图图 1 传统 2D-GC 俯视图基于 SOI 的 2D-GC 结构示意图渊d冤 2D-GC 横截面示意图专 题：光 器 件譺訛2023 年第 4 期光栅若采用非垂直耦合方式袁 容易出现 S 偏振光和 P偏振光幅频响应曲线不重合的现象袁从而引起较大的PDL曰同时袁由于传统二维光栅的晶胞可控的结构参数较少袁因此无法有效减小 PDL遥 本文提出的 2D-GC 的晶胞有多个可控参数袁通过优化这些结构参数袁可以有效减小 PDL遥 图 1渊d冤为所提 2D-GC 的横截面结构示意图袁2D-GC 是基于 SOI 平台制作而成的袁同 SOI 材料一样袁 从顶硅层到衬底硅层都是基于 Si-SiO2-Si 的三明治结构遥 光栅区采用浅刻蚀工艺袁通过在顶硅层上刻蚀周期性凹槽形成的衍射图案袁光栅上部用SiO2包裹袁优化上包层 SiO2渊TOX 层冤的厚度可以进一步提高 CE遥二维光栅作为一种周期结构袁入射光矢量和衍射矢量满足布喇格衍射条件院袁=+渊1冤其中袁为光栅的传播因子袁=2仔eff袁eff为二维光栅的有效折射率袁为耦合谱中的峰值波长曰为光栅衍射级数袁为光栅矢量遥 在二维光栅中袁取=-1尧=2仔曰袁表示阶衍射光在光栅轴方向上的投影分量袁计算公式为袁=2仔1sin渊2冤其中袁1为入射介质的折射率袁 为光纤倾斜角度遥 根据式渊1冤和式渊2冤可得到入射条件下峰值波长的表达式为=eff-1sin 冤伊渊3冤根据式渊1冤 式渊3冤可知袁当光栅的结构一旦确定袁eff尧1尧 则为固定值袁不同的光纤倾斜角度对应不同的耦合谱线峰值波长曰当1尧 尧确定时袁耦合谱线峰值波长仅取决于光栅的有效折射率eff袁即可以根据系统的工作波长来大致确定光栅的初始结构参数遥为表征 2D-GC 倾斜耦合时的性能袁还需要度量 S偏振的耦合谱线相对 P 偏振偏移而引起的 PDL 情况遥本文定义 PDL 为在相同波长处 2 个偏振对应的耦合损耗之差的绝对值袁即PDL=10lg渊S冤-10lg渊P冤渊4冤其中袁S和P分别表示 S 偏振和 P 偏振对应的 CE遥从图 1渊b冤图 1 渊d冤可以看出袁光信号从光纤经空气以倾斜角入射到光栅袁 分别经过上包层尧TOX尧埋氧化层和底部氧化层渊BOX冤遥 与光栅性能相关的结构参数及其初始值如表 1 所示遥 为了降低仿真难度袁可以微调参数以减少数据波动遥本文对光栅的性能仿真采用三维时域有限差分渊FDTD冤法进行数值分析遥为了使光纤与光栅之间的对准具有较大的容差空间28袁光栅有效面积设置为12 滋m伊12 滋m遥 入射光经光栅从两臂输出袁光栅总 CE为尧方向两臂 CE 的叠加遥2 仿真实验为了使所提 2D-GC 实现最大 CE 和最佳 PDL袁本文先优化单个偏振渊S 偏振冤的 CE袁再控制 S 偏振和 P偏振的耦合光谱渊减小 PDL冤遥首先袁仿真观察光栅 CE 随尧和的变化趋势遥当=650 nm尧=140 nm 时袁CE 随1尧2的变化趋势如图 2 所示遥 可以看出袁 随着半径的增加袁CE 逐渐增大袁峰值波长蓝移遥 当1=100 nm 时袁随着2增加袁CE逐渐增大曰半径继续增大袁CE 逐渐减小袁峰值波长继续蓝移遥 该仿真中袁半径每变化 10 nm袁耦合谱偏移 6 nm左右遥这是因为半径越大袁被刻蚀去掉的 TOX 就越多袁导致光栅的eff减小袁峰值波长蓝移遥然后袁 仿真观察对 2D-GC 耦合性能的变化趋势遥当=650 nm尧1=100 nm尧2=130 nm 时袁 刻蚀深度对 CE 的影响如图 3所示遥 可以看出袁 每变化 10 nm袁产生了约 10 nm 的峰值波长偏移袁即随着刻蚀深度的增加袁 光栅的有效折射率eff随之减小袁 峰值波长蓝顶硅层厚度nm刻蚀深度nm埋氧化层厚度滋m上包层厚度nm圆孔半径1nm圆孔半径2nm光栅周期nm光纤倾斜角度渊毅冤220140375010013065012冯瑶袁耿敏明袁何万才袁等院基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器表 1 基于 SOI 的类梅花型 2D-GC 的结构参数及其初始值图 21尧2对 CE 的影响专 题：光 器 件譻訛2023 年第 4 期移曰当=140 nm 时袁CE 最大遥 图 2 中袁1和2取不同的大小时袁波峰变化比较大曰而图 3 中其峰值变化平缓遥 由此可知袁1尧2对光栅的 CE 影响更大袁对光栅的耦合峰值波长影响更大遥最后袁观察对 2D-GC 耦合性能的变化趋势遥 当1=100 nm尧2=130 nm尧=140 nm 时袁 光栅周期对CE 的影响如图 4 所示遥 可以看出袁CE 随的变化不大袁在=640 nm 时的 CE 达到最大值袁且每增大10 nm袁耦合谱峰值波长向右偏移 25 nm 左右袁即随着的增加袁峰值波长红移遥为了进一步提高 CE袁本文对1尧2尧 尧 做二次优化遥 由上述仿真结果可知袁 对 CE 的影响较小袁 可令=640 nm袁以降低仿真的复杂度遥 当2=130 nm 时袁1和联合变化对 CE 的影响如图 5渊a冤所示遥 可以看出袁 在1=100 nm尧=120 nm 时袁CE 达到最大值遥 令1=100 nm尧=120 nm 时袁 进一步优化2的仿真结果如图 5渊b冤所示遥 可以看出袁CE 在2=140 nm 时的 CE达到最大值袁为 61.64%袁即当1=100 nm尧2=140 nm尧=640 nm尧=120 nm 时袁2D-GC 的 CE 值最大遥 2D-GC 的 PDL 与耦合损耗谱如图 6 所示袁PDL 的最大值为 1.97 dB遥由图 5 和图 6 可知袁光栅的 CE 达到最大值后袁还需要对其结构参数进行微调袁才能提高 2 个偏振耦合谱的重合度袁减小光栅的 PDL袁且 P 偏振相对于 S 偏图 5 当=640 nm 时袁对参数进行二次优化后 CE 的仿真结果图 4 当1=100 nm尧2=130 nm尧=140 nm 时袁 对 CE 的影响图 3 当=650 nm尧1=100 nm尧2=130 nm 时袁对 CE 的影响冯瑶袁耿敏明袁何万才袁等院基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器渊a冤当2=130 nm 时袁CE 随1尧的变化趋势渊b冤当1=100 nm尧=120 nm 时袁CE 随2的变化趋势图 6 2D-GC 的 PDL 与耦合损耗谱专 题：光 器 件譼訛2023 年第 4 期振存在较大的频谱偏移损耗遥经研究发现袁可通过调整2来改变 P 偏振的有效折射率袁减小 2 个偏振之间的波长偏移袁从而减小 PDL遥当1=100nm尧=640nm尧=120nm袁 且2从150nm变化到 114 nm 时对应耦合损耗和 PDL 的变化情况如图 7 所示遥可以看出袁PDL 随2的减少而逐渐减小曰当2=119 nm 时袁 可以得到最佳的 PDL 为 0.18 dB袁且PDL 曲线在 1.5251.6 滋m 之间的波段都很平缓袁此时对应的耦合损耗约为-2.4 dB遥 因此袁所提出的 2D-GC最佳的结构参数为=640 nm尧=120 nm尧1=100 nm尧2=119 nm遥优化后 2D-GC 的水平和垂直 2 个方向上的光场强度分布如图 8 所示遥可以看出袁入射光大部分被耦合到光栅的 2 条输出臂袁 仅有少量的光泄露到下方的衬底和反射到上方的自由空间中遥本文对近几年报道的 2D-GC 性能进行了对比袁如表 2 所示遥 可以看出袁虽然有些 2D-GC 实现了较高的CE 或较低的 PDL袁但结构比较复杂袁不易于加工制作袁如增加额外的反射镜33或使用热光相位延迟线32等曰但大多数 2D-GC 的 PDL 较低袁CE 相对不高22袁31遥 而本文提出的 2D-GC 则无需附加复杂的结构就能实现较高的 CE 和较低的 PDL遥图 7 当=640 nm袁1=100 nm袁=120 nm 时袁耦合损耗与 PDL 随2的变化情况渊f冤2=114 nm渊c冤2=130 nm渊d冤2=124 nm冯瑶袁耿敏明袁何万才袁等院基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器渊a冤2=150 nm渊b冤2=140 nm渊e冤2=119 nm专 题：光 器 件譽訛2023 年第 4 期3 结束语本文提出了一种基于 SOI 的类梅花型 2D-GC袁该光栅耦合器由多个类梅花型图案的晶胞周期排列而成遥 采用了倾斜耦合方式减小偏振光的二阶反射袁并通过优化结构中的光栅周期 尧 刻蚀半径1和2以及刻蚀深度袁 有效地减小了 2 个偏振耦合谱线的偏移遥 仿真结果表明院所提出的 2D-GC 在有效工作波段为 1.5251.6 滋m 时袁 最大的耦合损耗约为-2.4 dB袁PDL 为 0.18 dB遥 相较于已报道的大多数 2D-GC袁本文提出的 2D-GC 具有较高的 CE 和较低的 PDL袁更好地实现了硅光子片上系统与片外系统的信息交互袁 且结构简单袁 有利于降低工艺复杂度遥 但本结构设计也存在一些局限袁由于均匀光栅为指数衰减的衍射模场袁而光纤呈模场高斯分布袁 二者之间重叠积分受到很大的限制袁CE 相对不高袁 因此在未来的工作中需要打破光纤与光栅模场失配的局限袁 考虑采用非均匀光栅耦合器解决这一难题遥参考文献院1 SOREF R.The past,present,and future of silicon photonics J.IEEEJournal of Selected Topics in Quantum Electronics,2006,12渊6冤:1678-1687.2 RAHIM A,SPUESENS T,BAETS R,et al.Open-access silicon photo-nics:current status and emerging initiatives J.Proceedings of the IEEE,2018,106渊12冤:2313-2330.3 YANG Y,HOU Z J,ZHU X,et al.A millimeter-wave reconfigurableon-chip coupler with tunable power-dividing ratios in 0.13-滋m BiCMOStechnologyJ.IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Pa-pers,2020,67渊5冤:1516-1526.4 LACAVA C,CARROLL L,GERACE D,et al.Performance of 2D-grating couplers designed through full 3D-FDTD numerical simulationsC/IEEE.Proceedings of 11th International Conference on Group IV Photo-nics(GFP冤.Paris:IEEE,2014:203-204.5 MARCHETTI R,LACAVA C,CARROLL L,et al.Coupling strategiesfor silicon photonics integrated chips J.Photonics Research,2019,7渊2冤:201-239.6 HE A,GUO X,WANG K,et al.Low loss,large bandwidth fiber-chipedge couplers based on silicon-on-insulator platformJ.Journal of Light-wave 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Technology and Application.Belling-参考文献年份耦合损耗/dBPDL/dBSi 厚度/nm耦合方式工艺312017-4.030.5220倾斜2 次刻蚀332018-1.81220倾斜加反射镜222019-3.40.2220倾斜2 次刻蚀342020-3.52要220倾斜生长多晶硅和多次刻蚀352020-1.730.2220倾斜加金属薄膜及键合322021-1.870.2220垂直2 次刻蚀及附加热光相位延迟本文2022-2.40.18220倾斜2 次刻蚀冯瑶袁耿敏明袁何万才袁等院基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器渊a冤 水平方向渊b冤 垂直方向图 8 优化后的 2D-GC 的光场强度分布表 2 近几年的 2D-GC 性能比较专 题：光 器 件譾訛2023 年第 4 期冯瑶袁耿敏明袁何万才袁等院基于 SOI 的类梅花型二维光栅耦合器ham:SPIE,2020,11617:162-168.18 MA X,ZHUANG C,ZENG R,et al.Polarization-independent one-dimensional grating coupler design on hybrid silicon/LNOI platform J.Optics Express,2020,28渊11冤:17113-17121.19 TONG Y,ZHOU W,WU X,et al.Efficient mode multiplexer for few-mode fibers using integrated silicon-on-insulator waveguide grating couplerJ.IEEE Journal of Quantum Electronics,2019,56渊1冤:1-7.20 SOBU Y,JEONG S H,TANAKA Y.Si-wire two-dimensional gratingcoupler with polarization-dependent loss of lower than 0.3 dB over a 60 nm-wide spectral rangeJ.Japanese Journal of Applied Physics,2018,57渊11冤:112501-1-112501-5.21 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