熱光可調聚合物波導布拉格光柵的設計與優化

翟羽萌，王 瑾，蔣錫燕，許 吉，陸云清

（南京郵電大學光電工程學院，南京 210023）

光電器件研究與應用

熱光可調聚合物波導布拉格光柵的設計與優化

翟羽萌，王 瑾，蔣錫燕，許 吉，陸云清

（南京郵電大學光電工程學院，南京 210023）

對提高基于聚合物材料的WBG（波導布拉格光柵）的熱光調制效率的方法進行了研究。根據聚合物材料的光學特性設計了三階的WBG，仿真分析了WBG結構參數對光柵傳輸特性的影響；為提高熱光調制效率，采用了內嵌式電極結構與在WBG兩側構建AT（空氣溝槽）相結合的方案。模擬結果表明，與一般熱光型調制結構相比，該方案的波長調諧靈敏度提升了1.87倍，實現了大范圍的波長可調。所設計的熱光可調WBG具有受熱性強、熱均勻性高及熱串擾低等優點。

波導布拉格光柵；聚合物；熱光效應

0 引 言

WBG（波導布拉格光柵）相較于光纖布拉格光柵，具有器件尺寸小、可集成度高的優點，在小型化光通信器件和集成光電回路中，是諸如濾波器、調制器和波長轉換器等光子器件的重要組件［1］。特別是用于外腔反饋式分布反饋激光器時，利用熱光效應等機制對WBG材料的折射率及反射譜進行調節，可實現激光器出射波長的調諧。

聚合物材料具有價格低廉、波導制備工藝簡單和易于與其他光子器件集成等優勢，成為制備WBG的首選材料［2］。此外，聚合物材料具有較高的熱光系數（約為-10-4/℃）及較低的熱傳導率，可有效降低熱光可調WBG的工作功耗。然而，根據布拉格反射條件所設計的一階聚合物WBG，其周期往往小于0.5μm，采用常用的光刻工藝制備較為困難；另外，由于熱電極通常制備在波導器件上方，從而在波導垂直方向上形成溫度場梯度遞減的分布，因此熱光調制效率并不高［3-4］；而且在一個襯底上集成多通道的波導結構時，通道間的熱串擾較高［5］。

針對以上問題，本文首先設計了三階聚合物WBG，其結構可采用通常的反應離子刻蝕工藝制備，然后提出了內嵌式熱電極與在WBG兩側構建AT（空氣溝槽）相結合的新型熱光調節方案。模擬結果表明，該方案能提高波導芯層受熱效率，而且波導芯層受熱均勻，有效降低了對相鄰通道波導的熱串擾。

1 WBG結構的設計

本文設計了側壁起伏型聚合物WBG結構，如圖1所示，圖中，z為光傳播方向。每一個光柵周期Λ中包括寬波導芯層和窄波導芯層兩部分，寬波導芯層的寬度為WG，窄波導芯層的寬度為WG-H，即窄波導芯層兩側的齒深為H/2，波導芯層的高度為HG，而整個波導的高度為Hc。本文選用的包層聚合物材料折射率為1.45，芯層聚合物材料折射率為1.47，襯底硅材料折射率為3.16。

圖1 WBG結構示意圖

首先設計了聚合物單模波導，然后在此結構基礎上設計WBG。單模波導的設計采用有效折射率法。在滿足單模傳輸的條件下，選取WG=3.5μm，HG=3.5μm，波導有效折射率neff=1.457 8。根據布拉格條件mλB=2neffΛ可以得到WBG周期Λ，當光柵階數m=3時，Λ=1.595μm，這樣的參數在通常的反應離子刻蝕工藝中均可滿足。

WBG的傳輸特性可以通過其反射譜來表征，反射譜的中心波長、最大反射率以及帶寬是衡量光柵性能的重要指標。在材料確定的情況下，影響光柵反射譜的主要結構參數有兩個：光柵周期數N和光柵齒深參數H。本文設計的WBG的反射譜隨這兩個參數的變化而變化，如圖2所示。由圖2（a）可知，當H=1.7μm時，隨著周期數N的增加，光柵反射譜的最大反射率也增大，同時反射譜的帶寬隨之變小；由圖2（b）可知，當N=3 000時，隨著H從0.5變化到2.5μm，最大反射率先增大然后幾乎保持為100%，同時帶寬隨之變大，但反射譜的中心波長減小。因此，在后文的設計中，選取N=3 000，H=1.7μm，此時最大反射率幾乎為1 0 0%， FWHM（半寬全高）約為0.7 nm。

圖2 WBG反射譜

2 熱光可調WBG的設計

為了提高熱光調制效率，本文提出了在聚合物WBG的波導芯層下方放置熱電極，同時在波導芯層兩側設置AT的方案，其橫截面結構及溫度場分布如圖3所示。在圖3（a）所示結構中，為了避免金屬電極對輸入光場的吸收損耗，設置電極到波導芯層表面的距離D=5μm，電極寬度We=10μm；在波導芯層兩側對稱分布AT，在文獻［6］中，MMI（多模干涉器）通道間距為13μm，故根據文獻［6］設計溝槽寬度Wa=3μm，溝槽深度Ha= 13.5μm。圖3（b）中的色度條表示相對常溫環境的溫度變化。作為對比，圖4給出了常規熱光型波導器件的橫截面及其溫度場分布圖。從圖中可以看到，在熱電極溫度變化為50℃時，波導芯層中心處溫度上升了約23.2℃，水平方向上整個芯層的溫度差值為0.2℃，垂直方向上溫度差值為8.9℃。而電極在波導芯層下方時（見圖3），熱電極溫度變化依然為50℃時，波導芯層中心處溫度上升了約43.3℃，水平方向上整個芯層的溫度差值為0.1℃，垂直方向上溫度差值大幅降低，僅為0.5℃。可見，電極設置在波導芯層正下方時，波導芯層的受熱效率提高，同時芯層的受熱均勻性也顯著增加。

圖3 本文設計的熱光波導

圖4 常規熱光波導

引入AT后，其深度值Ha對熱光調制效率也有影響。圖5給出了不同Ha值下波導芯層中心處的溫度變化。由圖可見，當熱電極溫度變化保持為50℃時，隨著Ha的增大，芯層中心處的溫度變化增大，當Ha與包層高度（本文為20μm）一致時，波導芯層中心處溫度變化達到49.98℃，幾乎與熱電極溫度一致。圖6給出了3種不同結構下沿波導光柵中心垂直方向上的溫度變化。此處的3種不同結構分別為熱電極在波導表面的常規設計、熱電極在波導芯層下方但沒有AT的設計以及熱電極在波導芯層下方且有AT的設計。在這3種結構中，最后一種結構在波導垂直方向上的溫度差值僅為10-2℃量級，保持了非常高的受熱均勻性。因此，在優化后的設計中，選取Ha為20μm。

圖5 不同Ha下波導芯層中心處溫度變化

圖6 不同結構下波導中心垂直方向上的溫度分布

在溫度的作用下，波導光柵的反射譜會發生變化，中心波長λB發生漂移。對光柵方程mλB=2neffΛ的兩邊進行微分可以得到：

式中，λB、neff和Λ都是溫度T的函數。在芯層和包層材料一致的情況下，將公式為材料的熱光系數）代入公式（1），并在式（1）兩邊同時除以mλB，可以得到

定義材料的熱膨脹系數為a，即ΔΛ/Λ=aΔT，則公式（2）可寫為

聚合物熱膨脹系數相對熱光系數較小，因此在忽略熱膨脹對布拉格波長的影響后，可以得出WBG的波長調諧靈敏度理論最大值約為-0.117 nm/℃。圖7（a）給出了本文設計的WBG結構，即熱電極在波導芯層下方且帶有AT，在熱電極溫度變化30℃時反射譜的變化。可以看到，溫度提升后反射譜中心波長減小，變化曲線如圖7（b）所示。從圖7（b）可得，本文設計的 WBG的波長調諧靈敏度約為-0.114 nm/℃，接近了波長調諧靈敏度理論最大值，與僅有上方電極的常規 WBG結構相比（-0.061 nm/℃），提高了1.87倍，從而實現了大范圍的波長可調。

圖7 WBG反射譜

本文優化設計的AT結構應用在多通道熱光可調WBG結構中，可有效降低通道間的串擾。針對波導通道間隔為13μm的多通道結構［6］，本文分別計算了通道1的熱電極溫度為70℃時兩種不同結構下通道間的熱串擾，仿真及計算結果如圖8所示。在優化后的內嵌式電極與AT相結合的結構中，通道2中溫度場幾乎沒有變化，表明通道間的熱串擾非常低。

圖8 雙通道波導截面溫度變化分布

本文還采用BPM（光束傳播法）模擬分析了雙通道WBG中的光波傳輸。圖9（a）為有AT時的雙通道 WBG結構俯視圖，其中波導通道間隔為13μm；在有或無AT的情況下，當光場從波導光柵通道1輸入時，波導光柵通道2在沿傳播方向上不同位置處的串擾如圖9（b）所示。從圖中可以看到：無AT時，相鄰波導通道在沿傳播方向上一直有串擾，即使在2 000μm處，通道間的串擾依然約為-35 dB；在AT的隔離下，相鄰波導通道間的串擾降為-49 dB，而且沿著傳播方向一直保持低串擾。可見，引入AT能有效抑制波導通道間串擾，從而提高光子器件的集成密度。

圖9 帶AT的雙通道WBG

3 結束語

本文根據聚合物材料折射率及布拉格條件設計并優化了三階聚合物WBG，針對常規熱光調節方案中調制效率不高的問題，提出了新型的熱光調節方案，通過內嵌式熱電極結構與在WBG兩側構建AT相結合，提高了WBG的熱光調制效率及受熱均勻性，其波長調諧靈敏度提升了1.87倍，實現了大范圍的波長可調。通過分析新型熱光調節方案下雙通道波導截面溫度變化分布及通道間的光傳輸特性，指出AT的引入可有效抑制波導通道間熱串擾和傳輸串擾。設計及模擬分析結果對進一步研究聚合物熱光器件及提高光子器件的集成密度具有一定的參考價值。

［1］ 劉洪興，張巍，鞏巖.光柵參數測量技術研究進展［J］.中國光學，2011，4（2）：103-110.

［2］ 王雷，李然，牛小艷，等.非線性包層結構紫外固化聚合物陣列波導光柵研制［J］.中國激光，2013，40（8）：115-119.

［3］ Huang C S，Pun Y B，Wang W C.SU-8 rib waveguide Bragg grating filter using composite stamp and solventassisted microcontact molding technique［J］.Journal of Micro/Nanolithography，MEMS，and MOEMS，2010，9（2）：795-801.

［4］ Raum C R，Gauthier R，Tait R N.Integrated heaters for the thermal tuning of Bragg grating filters on silicon-on-insulator rib waveguides［J］.Microwave and Optical Technology Letters，2011，53（3）：672-676.

［5］ 安俊名，張家順，王玥.硅光子中波分復用技術研究［J］.激光與光電子學進展，2014，51（11）：53-58.

［6］ 翟羽萌，王瑾，許吉，等.基于聚合物多模干涉器的大容差相干光混頻器［J］.光電子激光，2015，26（2）：233-238.

Design and Optimization of Thermo-Optically Tunable Polymer WBG

ZHAI Yu-meng，WANG Jin，JIANG Xi-yan，XU Ji，LU Yun-qing
（School of Optoelectronic Engineering，Nanjing University of Posts&Telecommunications，Nanjing 210023，China）

In this paper，we investigate the method to improve the thermo-optic modulation efficiency of Waveguide Bragg Gratings（WBG）based on polymer material.According to the optical characteristics of polymer materials，a third-order WBG is designed.The effects of WBG structure parameters on the optical transmission spectrum of the WBG are also analyzed.In order to improve the thermo-optic modulation efficiency，anembedded electrode structure combined with the Air Trenches（AT）symmetrically beside the WBG is proposed.The simulation results show that the wavelength-tuning sensitivity of the propose WBG structureis increased by 1.87 times，which can achieve a broad wavelength-tuning range.Compared with general thermo-optic modulation structures，the designed thermo-optically tunable WBG features strong heated ability，high heat uniformity and low thermal crosstalk.

waveguide Bragg grating；polymer；thermo-optic effect

TN256

A

1005-8788（2016）03-0046-04

10.13756/j.gtxyj.2016.03.015

2015-12-02

國家自然科學基金資助項目（61575096）；江蘇省自然科學基金資助項目（BK20131383）；國家自然科學基金資助青年項目（11404170）

翟羽萌（1990-），女，遼寧阜新人。碩士研究生，主要研究方向為光通信與光信息處理。

王瑾，教授。E-mail：jinwang@njupt.edu.cn