用于芯片天線的硅基光柵耦合器改良設計

楊成俊祎，徐 軍，高 旸，陳召遠

(火箭軍工程大學， 西安 710025)

現代信息技術正在迅速發展，并且以無線通信，衛星通信和船舶通信為代表的電子設備的小型化和小型化的需求正在增加。天線作為通信設備中的前端部件，對通信質量起著至關重要的作用[1-2]。

在光柵耦合器的研究中，2010年，香港中文大學Xia Chen等[3]為降低耦合損耗，提出了一種啁啾光柵結構，實驗結果表明，該光柵的耦合能量損耗僅有1.2 dB。2011年，國防科技大學楊俊波等[4]設計了一種雙周期垂直耦合光柵結構。實驗表明，當光波波長為1 550 nm時，該耦合器的耦合效率達到80%。2014年，西班牙C.Alonso-Ramos等[5]提出了一種光柵耦合結構，耦合方向性不受光波導各層厚度、光柵高度等因素的影響，耦合效率達到-1.05 dB。

雖然結構層出不窮的光柵結構使耦合效率不斷提高，但其結構設計相對復雜，由于制作工藝和制作成本等因素限制，目前應用于芯片式光學天線的光柵耦合器還是以傳統直線型為主[6-10]。

在光學天線接收端與光纖耦合的過程中，傳統直線型光柵耦合器的最優橫向寬度一般在，通常硅基單模波導的寬度在 左右，兩者之間的寬度差異很大[11]。為了匹配單模光纖的橫向尺寸，通常在兩者之間添加一個線性變化的模斑轉換器。這可以降低失配損耗，但會導致整個光柵耦合器的尺寸過大[12-13]，成了天線芯片的體積負擔。

為了減小光柵耦合器的尺寸，基于現有的傳統直線型光柵耦合器的結構參數，提出了一種將現有直線型光柵耦合器改良設計成會聚形光柵耦合器的方法，將樣品優化設計后，仿真得到在耦合效率比直線型高的同時，尺寸減小到原來的1/4。優化光柵結構參數并制作實物進行實驗，理論計算，模擬仿真與實驗測試結果吻合良好，實現高效耦合和低損耗模式的改變，它可用作芯片式光學天線接收端，以減小天線的尺寸。

1 會聚型光柵耦合器工作原理

會聚型光柵耦合器[13-14]的基本結構如圖1(a)所示，它的刻槽與傳統光柵耦合器不同，采用弧形刻槽，每段圓弧是圓心角相等，半徑等差排列的同心圓弧，其構成的扇形結構對耦合進光柵的光波有會聚作用，光波可直接進入波導，因此可以在不需要模斑轉換器的情況下，實現模斑轉換。這允許使光柵耦合器的尺寸大大減小，從而進一步減小了光學天線接收端的尺寸。

圖1 會聚型光柵耦合器的基本結構(a)和會聚型光柵耦合器波矢圖(b)

通過分析，耦合進光柵區域的光，只有在圓弧刻槽滿足特定條件時，才能恰好會聚到波導中去。如圖1(b)所示為會聚型光柵耦合器上在點(z,y)的波矢，圓弧圓心的坐標(0,0)，即光波會聚到單模波導的初始坐標。入射波矢Kin沿xz平面傾斜入射，并且在yz平面中有一個平行于z軸的投影分量Kin，z。如果想光柵耦合器上的每個點到圓心處的相位都是相長干涉，需要滿足：

Kincosφr+2πn=KGCr

(1)

(2)

因此，xz截面上光柵耦合器的周期p為：

(3)

有效折射率neff可用周期p表達為：

(4)

在以上分析以后，可以計算會聚型光柵耦合器的橫向結構分布。

2 會聚型光柵耦合器的結構設計

2.1 對樣品直線型光柵耦合器結構參數仿真

如圖2所示為直線型光柵耦合器沿xz平面的截面，使用常用的SOI結構，頂硅層的厚度為220 nm，BOX層的厚度為2 μm。可以看出刻蝕深度e,刻蝕寬度w，周期p以及入射耦合角度θ是影響其性能的主要參數。

圖2 直線型光柵耦合器示意圖

選擇現有的直線型光柵耦合器作為參照樣品[15]，其光柵參數為：入射波長λ=1 550 nm，刻蝕深度e=70 nm,刻蝕寬度w=300 nm，周期p=630 nm,橫向寬度d0=16 μm,入射耦合角θ=14°。

將以上直線型光柵參數代入FDTD軟件進行三維仿真，得到耦合譜線如圖3，峰值耦合效率為-3.3 dB,1 dB帶寬為43 nm。

2.2 會聚型光柵耦合器的結構參數的設計和優化

1) 選取和優化起始半徑r0和會聚角α

如圖4(a)所示，決定光柵耦合器性能的結構參數除了刻蝕深度e,刻蝕寬度w，周期p以及入射耦合角度θ之外，還應考慮的起始半徑r0和會聚角α。從圖4(b)可以看出，在xz截面中的會聚型光柵耦合器與傳統光柵耦合器結構相同，選用與傳統直線型光柵耦合器相同的xz平面參數：刻蝕深度e=70 nm,刻蝕寬度w=300 nm，周期p=630 nm。考慮到兩種光柵耦合器在yz平面中的結構分布不一樣，還要確定的參數為起始半徑r0和會聚角α。

圖3 仿真耦合譜線

圖4 會聚型光柵耦合器結構示意圖

橫向寬度d0由起始半徑r0和會聚角α決定。假設光柵耦合器起始周期的中心點是(z=-r0,y=0),其對應的寬度d0可近似表達為：

(5)

根據前面的仿真，獲得了直線型光柵耦合器的最佳橫向寬度d=16 μm，代入會聚型光柵耦合器，可以得到最佳起始半徑r0為(μm):

(6)

再將起始半徑r0用起始周期數來表達，即r0=n0p。當α=35°時，根據式(6)可得最佳起始周期數，再仿真計算了不同n0從25到39到時，光柵耦合器的效率如圖5所示，獲得了最優的起始周期數n0=31，小于理論計算值。這是由于在理論計算最優起始周期時，將呈高斯分布的圓形入場光源看作是以其直徑為邊長的正方形入射光源，導致仿真值比理論值小一些。根據n0=31可以得到r0=n0p=31×0.63=19.53 μm，取r0=19.5μm，則d0=12.4 μm。

圖5 當α=35°時，不同起始周期數n0對應的耦合效率曲線

根據式(6),會聚角α越大，起始半徑r0越小，光柵耦合器的尺寸也越小。對于會聚型耦合器，最佳起始半徑r0=19.5 μm,分別對不同會聚角α=25°，30°，35°，40°，45°進行模擬計算，如圖6所示，它們的耦合峰值分別為-3.39 dB, -3.40 dB, -3.41 dB, -3.45 dB， -3.46 dB。

圖6 當α=25°，30°，35°，40°，45°時，不同起始周期數n0對應耦合效率曲線

由于光柵耦合器扇形區域的邊緣在實際成品中不是完全光滑的，因此粗糙的邊緣會造成一定的散射損耗。當最佳起始寬度d0選定時，若會聚角α選擇過大，扇形區域的粗糙邊緣部分就更多，散射損耗增大；若會聚角α選擇過小，則對應的起始半徑r0變大，致使光柵耦合器的尺寸變大。因此，會聚角的選擇是一個尺寸和耦合效率之間的權衡。

根據仿真結果，當會聚角α=30°時，耦合效率與α=25°幾乎一樣，并且起始半徑小了6.83 μm，綜合考慮后，選擇會聚角α=30°，其起始周期n0=36，起始半徑r0=23.14 μm，其耦合峰值為-3.40 dB,1 dB帶寬43 nm。

2) 優化光柵周期p

周期直接影響布拉格條件的光柵矢量,因此耦合效率對周期很敏感。保持會聚角α=30°，起始半徑r0=23.14 μm，刻蝕深度e=70 nm刻蝕寬度w=300 nm，和入射耦合角θ=14°不變。在仿真模型中，將光柵周期p由610 nm增加到650 nm,可以得到光柵耦合效率隨周期變化的關系曲線如圖7所示。

圖7 不同光柵周期對應的耦合效率曲線

從圖7可知，周期p在610～634 nm時，耦合效率隨光柵周期的增加而增加，在周期p=634 nm時達到峰值耦合效率-3.32 dB，而后耦合效率下降，故選擇p=634 nm。

3) 優化刻蝕寬度w

刻蝕寬度影響到入射介質折射率，進而改變有效折射率，間接影響模式在波導中的傳播常數。保持會聚角α=30°，起始半徑r0=23.14 μm，刻蝕深度e=70 nm，光柵周期p=634 nm和入射耦合角θ=14°不變。在仿真模型中，將刻蝕寬度w由280 nm增加到380 nm,可以得到光柵耦合效率隨刻蝕寬度變化的關系曲線如圖8所示。

圖8 不同刻蝕寬度對應的耦合效率曲線

從圖8可知，刻蝕寬度w在280～291 nm時，耦合效率隨刻蝕寬度的增加而增加，在刻蝕寬度w=291 nm時達到峰值耦合效率-2.9 dB，而后下降。故選擇w=291 nm。

4) 優化刻蝕深度e

刻蝕深度和寬度一樣，都改變了入射介質折射率，因此，兩者對耦合效率的影響相似。保持會聚角α=30°，起始半徑r0=23.14 μm，刻蝕寬度w=291 nm，光柵周期p=634 nm和入射耦合角θ=14°不變。在仿真模型中，將刻蝕深度e由60 nm增加到80 nm,可以得到光柵耦合效率隨刻蝕寬度變化的關系曲線如圖9所示。

圖9 不同刻蝕深度對應的耦合效率曲線

從圖9可知，刻蝕深度e在60～67 nm時，耦合效率隨刻蝕寬度的增加而增加，在刻蝕寬度e=67 nm時達到峰值耦合效率-2.8 dB，而后下降。故選擇e=67 nm。結構參數經過優化后，場強分布圖如圖10，可以看出，耦合到光柵耦合器的光會自動會聚到輸出單模波導中，從而減小了由光柵區域和波導的橫向寬度失配導致而引起的傳輸損耗，提高耦合效率，達到了預期目標。

圖10 會聚型光柵耦合器的場強分布圖

此時，耦合譜線如圖11(a)所示，會聚型光柵耦合器的峰值耦合效率為-2.8 dB，1 dB帶寬46 nm,耦合效率比傳統直線型高了0.5 dB，并且傳統光柵耦合器還有模斑轉換器的損耗，即使250 μm長的線性錐形模斑轉換器，其損耗也有0.3 dB。所以設計會聚型光柵耦合器的耦合效率比傳統光柵耦合器高，并且尺寸減小到原來的約1/4，如圖11(b)所示。

3 制作與實驗測試

3.1 制作會聚型光柵耦合器樣品

據以上的理論計算和仿真設計，制定了如下方案對樣片進行制備。因為器件在實際制作過程中會存在一定的工藝誤差，導致實際制作出來的器件尺寸和設計尺寸不能完全一致。根據加工難度和工藝水平，最終選擇制作的參數如下

1) 材料：SOI片，頂硅為250 nm，SiO2氧化層為2 μm；

2) 波導：500 nm(寬)×250 nm(高)；

3) 光柵區域：光柵周期p=630 nm，刻蝕深度e=65 nm，會聚角α=30°，起始半徑r0=25 μm；

經過加工得到光柵區域的結構示意圖如圖12所示。

圖11 會聚型和直線型光柵耦合器的耦合譜線(a)和尺寸(b)

圖12 光柵區域在電子顯微鏡下的結構示意圖

3.2 實驗測試與結果分析

通過OSA測試，得到了樣片測試的耦合譜線，再與傳統光柵仿真結果進行對比，可以得到如圖13所示的耦合譜線對比圖。

由圖13可知，經過改良設計制作成會聚型光柵耦合器后，實驗測試耦合譜線與理論結果走勢吻合良好；當波長為1 557 nm時，峰值耦合效率為57%，比之前提高了16%。

圖13 匯聚型光柵的測試耦合譜線和傳統光柵的仿真耦合譜線

實際測試的耦合效率降低，是由于以下3個因素：① 實際制作的光柵邊緣粗糙，造成散射損耗；② 光纖和光柵耦合器之間模式匹配存在反射；③ 仿真中采用高斯光與實際光纖模式會有誤差。

4 結論

針對當前芯片式天線中傳統光柵耦合器尺寸過大，在現有光柵結構的基礎上，提出將現有直線型光柵耦合器設計成會聚形光柵耦合器，仿真優化了結構參數，且尺寸顯著減小；制作實物進行實驗后，理論計算，模擬仿真與實驗測試結果吻合良好，光柵耦合器經過測試，峰值耦合效率提高16%，可為進一步減小光柵耦合器尺寸及其在芯片式天線中的研究與應用提供參考。