垂直納米光柵耦合器耦合效率分析與測試*

崔丹鳳，薛晨陽* ，仝小剛，晉玉劍，宛克敬，張文棟，

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051;2.中北大學電子測試技術重點實驗室，太原 030051)

由于硅波導具有超高對比折射率［1］以及采用先進的微加工技術，基于絕緣體上硅(SOI)材料的納米光波導在集成光學領域有廣闊的應用前景，與傳統的集成光波導相比更便于測試，并且大大減小了所占用的面積。同時，這種波導結構在傳感領域也具有很好的應用前景［2］，它是實現納米尺度受限空間內光互連、光耦合等能量傳輸并實現光與物質相互作用的耦合器。但波導層(幾百納米)與標準的單模光纖［3］(SMF，幾十微米)存在著較大的模式不匹配［4］，基于這個問題，我們迫切的需要一種高效的光纖－硅波導耦合器，因此，通過在光纖與硅波導之間添加光柵耦合器的方法也越來越受到國內外學者的關注。

波導耦合光柵由周期為納米尺度的光柵結構、波導層以及襯底組成。入射光從光纖射出通過光柵導入到波導中，在此光的傳播過程中，影響光柵耦合效率的因素［5－6］有很多。本文在研究波導耦合納米光柵理論［7］的基礎上，系統研究了不同光柵參數以及光以不同角度入射對于光柵耦合效率的影響，這將對以后的研究奠定一定的理論和實驗基礎。

1 納米光柵耦合器的設計

圖1為波導耦合光柵結構［8］的示意圖。在Si襯底上有一層1 μm厚的SiO2層，SiO2層上面的頂層Si即波導層的厚度為340 nm。在波導層上面為折射率匹配層［9］，一般選擇空氣(n=1)。占空比為1∶1的矩形光柵沿水平方向均勻分布。

圖1 光柵耦合器結構示意圖

衍射光柵是方孔連續線陣周期排列的器件，表現為透射部分和遮光部分周期分布。當平面波照射此衍射光柵時，光經透射部分出射的是衍射光，衍射光的衍射方向θm由光柵方程可寫出:

式中:Λ為光柵周期;m為衍射級次;λ為入射光波長。由上式可知，衍射角θ由波長和光柵周期決定，改變Λ及λ就可以改變衍射方向，而改變狹峰寬度和形狀，則可以改變透射光強。

波導光柵可以看作是去除光柵的波導基準結構及加上光柵后引起的折射率變化Δε之和。假設光柵是沿著波導面(y，z)擴散的周期性結構，Δε利用傅里葉變換可以表示成

兩個光波a和b通過光柵耦合要滿足布拉格條件:

式中:βa、βb為a、b光波的波矢。

m次衍射光的衍射角θm由下式的光柵方程確定:

式中:n1、n2是入射光與衍射光通過介質時的折射率。對相鄰光柵的衍射，其光程差為波長的整數倍(2mπ)時，在傳播方向上衍射光被增強。

由光柵的理論可以看出，耦合光柵在制備過程中需要考慮很多因素對光柵耦合器耦合效率的影響［10］。例如，光柵的刻蝕深度、周期、占空比［11］，增加底鏡或者添加覆蓋層［12］，垂直方向結構的對稱性以及入射光的波長等都是重要的因素。本文對于光柵的刻蝕深度即波導的傳輸厚度進行了詳細的描述。

如果光柵的刻蝕深度不夠，只有很少的光才能耦合進光柵，再通過波導傳輸出去的光將會更少，這嚴重的影響其耦合效率。反之，如果刻蝕的過深，則會增加光的反射，同樣會影響其效率的提高。為解決這一問題，我們在耦合光柵占空比為50%、周期為600 nm、入射光角度10°的條件下，對光柵的不同槽深進行了仿真。仿真結果如圖2所示。從結果可以看出光柵刻蝕深度減小即波導層變厚會使得入射光的調諧范圍向長波方向偏移。對于1 550 nm的波長來說在刻蝕深度為150 nm時，其耦合效率最高。

圖2 光柵刻蝕深度對耦合效率的影響

垂直光柵耦合的耦合效率不僅與光柵參數有關，并且強烈依賴于入射光與光柵之間的角度。可調諧激光器通過單模光纖在光柵的上方入射時，光纖需要與光柵的垂直方向稍微有一定的傾斜角度。這種近似垂直耦合可以避免波導光柵的二級反射峰，有效地調整了模式匹配以及提高了耦合效率。同時，由于偏離垂直方向的角度相對較小，在近似計算中可以將其忽略不計。其仿真結果如圖3所示。對于波長為1 550 nm的入射光，在光柵占空比為50%、周期600 nm、刻蝕深度150 nm不變的情況下，光纖偏離垂直方向大約10°時有較大的耦合效率。

圖3 不同入射角度對耦合效率的影響

在得到最優光柵參數及入射角度的基礎上，我們通過在硅波導及光柵表面均勻旋涂增透膜，理論上可以進一步有效的提高光的耦合效率，其中，增透膜的厚度由下式確定:

式中:e為增透膜厚度，λ為入射光波長n是增透膜的折射。為了有效的降低輸入光場的端面反射及波導表面散射，增強輸出光效率，我們選擇的增透膜折射率為1.46，在入射光波長為1 550 nm時，光柵占空比為50%、周期600 nm、刻蝕深度150 nm、增透膜厚度0.5 μm不變的情況下，利用FDTD軟件進行仿真，如圖4所示。

圖4 添加增透膜的仿真示意圖

將添加了增透膜與不添加增透膜的仿真結過進行對比發現，增透膜可以有效的增強輸出光強度，提高光的耦合效率。在添加了增透膜的情況下，其耦合效率最高可達76%。如圖5所示。

圖5 添加增透膜后對耦合效率的影響

2 納米光柵的加工

我們采用了聚焦離子束FIB(Focused Ion Beam)刻蝕方法對10 μm寬的光波導進行光柵加工。聚焦離子束技術是在電場和磁場作用下，將離子束斑聚焦到亞微米/納米級尺寸，通過偏轉系統和加速系統控制離子源，實現微細束加工的新技術。與其他高能粒子束流相比，離子束具有較大的質量，能夠以很高的能量和較短的波長直接把圖案轉移到較硬的基底材料上，可實現無掩膜加工。

由于微結構的尺寸受限于加工時間，較低的加工速度是FIB技術最大的缺點，但是對于光柵耦合器這種尺寸相對較小、耗時相對較少的結構來說這種方法仍然是可行的，較慢的刻蝕速率會對光柵各種參數有更精確的控制，而且它定位準確，分辨率很高(可以達到數個納米量級)，能夠以很高的精度實現復雜的微結構，這些優點使得FIB刻蝕方法在光柵加工方面仍占有其獨特的優勢。

制備過程中，我們使用的SOI材料其硅覆蓋層的厚度為340 nm，最終制備出的光柵具有均勻占空比，刻蝕深度約160 nm，光柵周期為600 nm左右，較接近仿真中光柵的最優參數值。其SEM圖如圖6所示。

圖6 納米光柵結構示意圖及光柵的SEM圖

3 垂直光柵耦合器耦合效率的測試

目前，我們已經完成了對測試平臺的搭建并驗證了實際情況與仿真結果相符，如圖7所示。利用NewFocus可調諧激光器作為輸入光源，與摻餌光纖放大器連接，能夠將激光器的輸出功率放大一定的倍數，使其具有固定統一的輸出功率。輸入端通過直徑為10.4μm的單模光纖與偏振控制器連接，用來研究激光不同偏振態對光柵耦合效率的影響。光輸出至光柵耦合器，與硅波導光柵進行垂直耦合后經直波導傳輸到另一個相同的光柵耦合器將光輸出。輸出光信號經光電探測器后由示波器顯示。

圖7 測試平臺

在此過程中，我們使用精密的三維調節架將輸入和輸出的單模光纖分別進行固定，使其能夠靈活調動，以便于將入射光纖與垂直方向保持有10°左右的夾角。樣品被固定在一個二維調節架上。在實驗過程中，為了方便進行單模光纖與光柵的對準，我們同時用到了紅外CCD和長焦距的視頻顯微鏡。輸出光纖與功率計相連，用來探測輸出光強。通過功率計所得到的輸出光功率就可以算出其光柵的耦合效率。

實驗中，我們在硅波導及光柵表面均勻旋涂增透膜，其厚度約為500 nm。采用逐點測試的方法對該納米光柵結構進行垂直耦合測試。影響該結構耦合效率的因素有很多，包括光端面反射、傳輸波導損耗、光柵基底泄露、反方向光的傳輸等。其中，由于光波導的非理想性和固有特性決定了光波導的損耗是不可避免的。本文在忽略了傳輸波導損耗的前提下，采用逐點調諧的方式，以步長為0.5 nm在1 520 nm到1 570 nm之間進行耦合效率的測試，在波長為1 550 nm處得到最大耦合效率為32%，并與未涂增透膜時的耦合效率進行比較。結果表明，添加增透膜可以有效的提高納米垂直光柵的耦合效率，實驗結果與仿真結果一致，如圖8所示。其中1 dB帶寬近似為30 nm，如圖9所示。

圖8 耦合效率的測試結果比較

圖9 耦合效率的測試結果

4 結論

在制備波導耦合納米光柵結構的過程中，對該結構耦合效率的影響因素進行了系統的理論研究和實驗。目前，我們已經制備出了14 μm長、10 μm寬的光柵，結果表明通過光柵耦合器的添加使得光從光纖到納米光波導的傳輸效率大大提高了。可調諧的光譜范圍與光柵周期和光柵的刻蝕深度有著密切的關系，即光柵周期增大或波導層變厚都會使得入射光調諧范圍向長波方向偏移，因此，可以通過設計光柵參數獲得與實際應用相匹配的器件結構參數。同時，通過添加增透膜進一步有效提高了光的耦合效率，實驗結果與理論模擬相符合。這對于光柵垂直耦合的進一步研究具有重要意義。

［1］Wim Bogaerts，Roel Baets，Pieter Dumon.Nanophotonic Waveguides in Silicon-on-Insulator Fabricated with CMOS Technology［J］.Journal Lightwave Technology，2005，23(1):401－403.

［2］Densmore A，Xu D X，Waldron P，et al.Silicon-on-Insulator Photonic Wire Based Evanescent Field Sensor［J］.Photonics Technology Letters，2006，18(23):2520－2530.

［3］張自嘉，許安濤.薄包層長周期光纖光纖光柵的折射率傳感特性［J］.傳感技術學報，2009，(8):1105－1108.

［4］Lin Q，Painter O J，Agrawal G P.Nonlinear Optical Phenomena in Silicon Waveguides:Modelingand Applications［J］.Optics Express，2007，15(25):16604.

［5］Taillaert D，Bogaerts W，Bienstman P，et al.An Out-of-Plane Grating Coupler for Efficient Butt-Coupling between Compact Planar Waveguides and Single-Mode Fibers［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，2002，38:949－955.

［6］Taillaert D，Chong H，Borel P，et al.A Compact Two-Dimensional Grating Coupler Used as a Polarization Splitter［J］.IEEE Photon，2003，15(9):1249－1251.

［7］張娜，褚金奎，趙開春等.基于嚴格耦合波理論的亞波長金屬光柵偏振器設計［J］.傳感技術學報，2006(5):1739－1743.

［8］Tai Tsuchizawa，Koji Yamada，Hiroshi Fukuda，et al.Microphotonics Devices Based on Silicon Microfabrication Technology［J］.Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，2005，11(1):232.

［9］Roelkens G，Vermeulen D，Van Thourhout D，et al.High Efficiency Diffractive Grating Couplers for Interfacing a Single Mode Optical Fiber with Nanophotonic Silicon-on-Insulator Waveguide Circuit［J］.Applied Physics Letters，2008，92(13):131101.

［10］Van Laere F，Claes T，Schrauwen J，et al.Compact Focusing Grating Couplers for Silicon-on-Insulator Integrated Circuits［J］.Photonics Technology Letters，2007，19(23):1919－1921.

［11］Taillaert D，Van Laere F，Ayre M，et al.Grating Couplers for Coupling between Optical Fibers and Nanophotonic Waveguides［J］.Japanese Journal of Applied Physics(invited)，2006，45(8A):6071－6077.

［12］Bogaerts W，Taillaert D，Dumon P，et al.Polarization-Diversity Wavelength Duplexer Circuit in Silicon-on-Insulator Photonic Wires［J］.Optics Express，2007，15(4):1567.