基于硅基磚砌型亞波長光柵的緊湊型模式轉換器*

陸夢佳 惲斌峰

(東南大學,先進光子學中心,南京 210096)

亞波長光柵可以等效為均勻介質,具備可控的雙折射、色散和各向異性等優勢,有利于設計高性能的光子器件.盡管目前傳統的亞波長光柵結構只需要單步刻蝕,然而通常需要100 nm 及以下的制造分辨率,這對當前主流的晶圓級硅光子芯片制造技術來說比較困難.亞波長光柵的各向異性可以通過引入磚砌型拓撲結構來進一步設計,從而在設計中提供額外的自由度,同時還可以降低制造分辨率需求(＞ 100 nm).本文提出并研究了基于硅基磚砌型亞波長光柵的緊湊型TE0-TE1 和TE0-TE2 模式轉換器,其中磚砌型亞波長光柵的最小特征尺寸為145 nm.實現了TE0 模式到TE1 模式和TE2 模式的轉換,轉換區域長度分別為9.39 μm 和11.27 μm.測試結果表明,在68 nm (1512—1580 nm,受限于激光器調諧范圍和光柵耦合器)帶寬內,插損和串擾分別小于2.5 dB 和—10 dB.

1 引言

面對片上光互連日益增長的傳輸容量需求,多模硅光子學通過引入高階模式來實現模分復用(mode-division multiplexing,MDM)技術[1-3],這樣即使采用單一波長也可以實現多通道數據通信.目前已經報道了實現片上MDM 系統的許多關鍵單元器件,例如模式(解)多路復用器[4,5]、模式轉換器[6,7]、多模波導彎曲[8,9]和多模波導交叉[10].其中,模式轉換器是MDM 中一個重要的單元器件,可以實現不同階數模式之間的轉換.國內外許多課題組報道了不同設計的硅基模式轉換器,主要包括非對稱定向耦合器(asymmetric direction couplers,ADC)[11]、Y 分支結構[12]、馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer,MZI)[13]、多模干涉耦合器(multimode interference,MMI)[14]和特殊波導結構[15]等.其中使用最廣泛的是基于ADC 結構的模式轉換器,但是這種設計需要滿足相位匹配條件,受結構參數影響較大,同時受限于工藝容差和相對較窄的帶寬.基于MZI 的模式轉換器具有結構簡單、易于設計、低插損和高轉換效率的優點.2015 年,Oner 等[13]提出了一種基于非平衡MZI結構的模式轉換器,該轉換器由具有相同臂長但不同橫截面積的介質波導設計,通過在不同寬度的等長波導之間引入所需的相位差,實現了從基模到更高階奇數模式的大帶寬模式階數轉換.在上述工作中,Y 分支被用來分解輸入模式,這通常會導致器件尺寸大.MMI 耦合器具有尺寸緊湊、損耗低和帶寬相對較大的優點.2020 年,Chack 等[14]在SOI平臺上制作了一個基于級聯MMI 的模式轉換器.實驗結果表明在1520—1580 nm 范圍內,TE0和TE1模式之間的串擾小于—20 dB.但是帶寬還可以進一步提升.2019 年,Liu 等[15]提出了一種基于淺刻蝕菱形和三角形的緊湊型TM0-TM2模式轉換器,其中菱形刻蝕部分用于分解輸入TM0模式,兩個三角形刻蝕部分用于在相鄰的波導之間引入π 的相位差.該器件在1458—1560 nm 范圍內,模式轉換效率為94%,模式串擾小于 —15 dB.但是該方案需要兩步刻蝕和高精度淺刻蝕工藝.

亞波長光柵(subwavelength grating,SWG),是一種由高折射率和低折射率材料交替組成的周期性結構,其光柵間距遠小于結構中光的波長,并且只需要一個刻蝕步驟[16-20].其通常被等效為均勻介質,其等效折射率可以通過調整占空比來自由調控.當引入SWG 時,可以在很多方面操控導模的特性,包括有效折射率、雙折射和色散.此外,該SWG 結構也具有較低的傳輸損耗(～2 dB/cm),與常規條形波導的傳輸損耗相當.值得注意的是,由于深亞波長尺寸,SWG 的制造比常規SOI 波導更困難,但是由于其獨特的性質,仍然非常有吸引力.這種特殊的SWG 結構提供了一種新的自由度,可用于設計新型光子器件.2018 年,He 等[21]提出了一種使用基于SWG 的定向耦合器的高階模式(解)多路復用器,其插入損耗在1520—1570 nm內低于5.2 dB,器件尺寸約為507 μm×5.29 μm.同年,González-Andrade 等[22]提出了一種基于亞波長結構的雙模轉換器和(解)復用器,該器件由SWG 調控的MMI、90°移相器和對稱Y 分支組成,通過在上臂中背靠背地引入兩個梯形錐形波導,在下臂中引入一個直波導,實現了90°的相移.該器件尺寸為36.0 μm×3.7 μm,在1400—1700 nm 的波長范圍內,仿真得到的模式轉換效率小于—20 dB,插損小于0.84 dB.2020 年,該課題組在220 nm的SOI 平臺上制備了基于亞波長結構的MMI 耦合器的緊湊型寬帶模式轉換器和模式復用器[23],器件尺寸為38.6 μm×3.7 μm.實驗結果表明,在120 nm (1520—1640 nm)帶寬下,TE0和TE1模式的插損均小于1.1 dB,模間串擾均優于-18 dB.然而上述方案的器件尺寸均較大,不利于集成化.2019 年,Cheng 等[24]提出了一種基于SWG 結構的緊湊型模式轉換器,使用SWG 調控折射率來將TE0模式轉換為TE1,TE2和TE3模式.器件長度分別為8.72 μm,4.98 μm 和14.54 μm,仿真得到在1520—1580 nm 范圍內,模式轉換效率分別大于94.4%,95.7%和83.7%,模間串擾分別小于—15.33 dB,—17.36 dB 和—15.65 dB.但是該方案還沒有通過實驗驗證.同年,Wang 等[25]提出了一種基于傾斜亞波長光柵結構的緊湊型波導模式轉換器,可以將TE0模式轉換為TE1和TE2模式,耦合長度分別為5.75 μm 和6.736 μm.在1542—1563 nm 和1545—1565 nm 的波長范圍內,插入損耗分別小于1 和0.5 dB,模式串擾小于—10 dB.然而,該方法需要兩步刻蝕和高精度淺刻蝕工藝.2021 年,Sun 等[26]提出了一種基于梯形SWG 的超寬帶功率耦合和模式轉換器.在1507.2—1627.8 nm波長范圍內,測試得到其轉換損耗和串擾分別低于1 dB 和—12.5 dB.然而,由于波導之間的絕熱耦合,器件長度相對較長,約為62.5 μm,且該結構的最小特征尺寸為70 nm,加工具有一定難度.在當前主流的硅光晶圓級制造技術中,充分利用SWG的潛力仍然具有挑戰性.Luque-González 等[27]于2021 年提出了一種磚砌亞波長光柵(bricked subwavelength grating,BSWG)結構,它可以等效為可控的雙軸晶體,從而能夠更加靈活地控制其各向異性和色散.與傳統的SWG 相比,其具有更大的最小特征尺寸,有利于促進大規模制造.

最近,我們在非對稱輸入/輸出波導中引入BSWG,實現了TE 基模到TE 高階模的轉換[28].在該方案中,在BSWG 區域會產生準TE0模式,該準TE0模式可以被視為兩個待轉換TE 模式之間的有效橋梁.與傳統SWG 相比,BSWG 的色散平坦度更高,因此可以實現更寬的工作帶寬.通過選擇適當的結構參數可以實現輸入/輸出模式和準TE0模式之間的特定模式轉換.結合三維時域有限差分(finite difference time domain,FDTD)方法和粒子群優化(particle swarm optimization,PSO)方法,優化設計了TE0-TE1和TE0-TE2模式轉換器,可以有效地將TE0模式轉換為TE1模式和TE2模式.仿真結果表明,TE0-TE1和TE0-TE2模式轉換器的插入損耗均小于1 dB,串擾均小于—15 dB,相應的工作帶寬為128 nm (1511—1639 nm)和126 nm (1527—1653 nm).通過實驗驗證了在68 nm 帶寬下,插損和串擾分別小于2.5 dB和—10 dB.此外,通過磚砌型結構獲得了額外的自由度,可以實現大于100 nm 的特征尺寸.

2 方案設計

圖1(a)—(c)分別為提出的模式轉換器方案的結構示意圖、BSWG 的部分放大圖和掃描電子顯微 鏡圖(scanning electron microscope,SEM).該器件由3 個部分組成,包括輸入錐形波導、輸出錐形波導和BSWG.輸入錐形波導寬度從WI=500 nm逐漸變細至WT1=145 nm,長度為LT1,輸出錐形波導寬度從WT2逐漸變寬至WO,長度為LT2,其位置由長度WD表示,如圖1(a)所示.BSWG由交替的Si 和SiO2組成,沿傳播方向(z軸)以亞波長周期Λz=290 nm 排列,硅條帶沿x軸以周期Λx=290 nm 周期性劃分,形成的硅塊在z方向上交替移動的距離為Δz.其中偏移量=Δz/Λz.x和z方向的占空比定義為fx=ax/Λx=0.5 和fz=az/Λz=0.5,以產生最大的像素尺寸(145 nm×145 nm).BSWG 的寬度為WMMI,其中硅部分寬度為ax和az,ax=az.Si 和SiO2在λ=1550 nm的折射率分別取3.476 和1.444[29].

圖1 (a) 模式轉換器方案的結構示意圖;(b),(c) BSWG 的部分放大圖與SEM 圖Fig.1.(a) Schematic of the mode converter;(b),(c) part enlarged view and SEM image of the BSWG.

為了優化所提出的基于BSWG 的模式轉換器,通過結合3D FDTD 和PSO 方法對1.55 μm波長處結構參數(WMMI,WO,WT2,WD,LT1,LT2,Lc,)進行了優化,優化采用的仿真軟件為Ansys-Lumerical FDTD.將品質因子(FOM)定義為

其中i=1 或2,PTEi表示在輸出波導處獲得的TE 模式的光功率.

此處以TE0-TE1模式轉換器為例來簡單說明優化過程.將具有特定參數組合的TE0-TE1模式轉換器表示為“粒子”.粒子的位置和速度可以通過使用下面給出的方程來更新[30]:

其中vej和psj(j=1,2 ···)代表粒子的速度和位置,gpj和bpj代表全局最佳位置和個體最佳位置,rand(n)是均勻分布在0—1 之間的隨機數,r1和r2分別是認知率和社會率,慣性權重記為ω.開始優化時,初始化粒子的ps和向量ve,其中ps對應于[WMMI,WO,WT2,WD,LT1,LT2,Lc,],ve表示ps在一次迭代后的變化.首先,選擇種群中的粒子作為隨機值,范圍如下: 1.8 μm≤WMMI≤2.5 μm,0.8 μm ≤WO≤1.2 μm,0.15 μm≤WT2≤0.35 μm,0 μm≤WD≤0.8 μm,1 μm≤LT1≤3 μm,1 μm≤LT2≤4 μm,2 μm≤Lc≤4 μm和0≤≤0.5.關于結構參數搜索范圍的選擇理由如下: 1)為了在目標模式TE1模式和不需要的TE2模式和TE0模式之間取一個平衡,WMMI,WO和WT2的寬度不能太寬或太窄.另外,如圖1(a)所示,WD的搜索范圍應該小于WMMI—WO.2)為了在模式傳播損耗和緊湊的器件尺寸之間取一個權衡,LT1,LT2和Lc的長度不應太長或太短.3)偏移量Δz的最大值為硅線波導的寬度az為Λz的一半.根據=Δz/Λz,最大值=0.5.最小值為0,對應于傳統的SWG.圖2 給出了具體的優化步驟.

圖2 器件優化過程流程圖Fig.2.Flow chart of the optimization process.

表1 整理了優化后的參數,其中TE0-TE1和TE0-TE2模式轉換器的轉換長度為LT1,LT2,Lc之和,分別為9.39 μm 和11.27 μm.值得注意的是兩種模式轉換器輸出波導的位置不同.這是由于輸入的TE0模式在BSWG 區域會產生準TE0模式,該準TE0模式在輸出區域通過模式演變轉換為目標模式,轉換效果受到WD,LT2,WO,WT2等輸出區域有關參數影響.因為TE0-TE1和TE0-TE2模式轉換器的目標輸出模式不同,具有不同的有效折射率,所以模式演變過程存在差異,WD的值在PSO中也存在差別.在PSO 優化中,WD的取值為0—0.8 μm,通過迭代后得到TE0-TE1模式轉換器的WD為0 nm,TE0-TE2模式轉換器的WD為373 nm.

表1 模式轉換器的優化設計參數Table 1.Optimized design parameters for the mode converter.

圖3(a),(b)為TE0-TE1和TE0-TE2模式轉換器的透射光譜.當插損低于1 dB,串擾低于—15 dB時,TE0-TE1模式轉換器的帶寬為128 nm (1511—1639 nm),TE0-TE2模式轉換器的帶寬為126 nm(1527—1653 nm)的波長范圍內.在1500 nm 附近的短波長邊緣處,插損下降,串擾迅速增加.這些可能是由布拉格反射引起的,因為波長越來越接近布拉格波長.

圖3 (a) TE0-TE1 模式轉換器的透射光譜;(b) TE0-TE2 模式轉換器的透射光譜Fig.3.(a) Transmission spectra for the TE0-TE1 mode converter;(b) transmission spectra for the TE0-TE2 mode converter.

3 制造與實驗結果

為了驗證提出的磚砌型亞波長光柵模式轉換器,在具有220 nm 厚頂部硅層、2 μm 厚SiO2埋氧層的絕緣體上硅(silicon-on-insulator,SOI)平臺上,采用100 keV 電子束光刻(electron-beam lithography,EBL)和電感耦合等離子體誘導反應離子刻蝕(ICP-RIE)工藝制作了TE0-TE1和TE0-TE2模式轉換器.并利用化學氣相沉積法(plasmaenhanced chemical vapor deposition,PECVD)沉積了2.2 μm 厚度的SiO2包層.圖4(a),(b)為制作的參考波導的顯微圖像和SEM 照片.這里使用了TE 型光柵耦合器(grating coupler,GC)進行垂直耦合.采用具有8°傾斜角的光柵耦合器,在1530 nm 的中心波長處測量到的耦合損耗為6.9 dB/面,如圖4(c)中藍線所示.需要注意的是,由于光柵耦合器的帶寬有限,為了測試寬帶器件的光譜響應,一般會在測試時對光纖探頭的傾斜角度進行調節,這樣可以在一定程度上改變光柵耦合器響應光譜的中心波長,從而滿足在較寬的波長范圍內對制備器件的光譜響應進行表征.此處,采用4 種光纖角度對TE 耦合光柵進行通光測試,結果如圖4(c)所示.可以看出,隨著光纖傾斜角度減小,光柵耦合器響應光譜的中心波長會紅移.但是在長波長范圍(＞ 1580 nm)下,測量光譜存在較大的振蕩,信噪比變差,這可能是由于光柵耦合器的制造引起的,也可能是耦合角度比較小引入了額外的反射.

圖4 (a) 帶有TE GC 的直波導顯微圖;(b) TE GC 的SEM 圖;(c) 不同光纖角度下TE 耦合光柵的傳輸光譜Fig.4.(a) Microscope image of the reference straight waveguide with TE-type grating couplers;(b) SEM image of TE-type grating coupler;(c) transmission spectra of TE-type grating couplers under different fiber angles.

圖5 為TE0-TE1模式轉換器和TE0-TE2模式轉換器的顯微圖和TE1-TE3模式復用器的SEM 圖.為了表征制備的模式轉換器的插損和串擾,在模式轉換器前后級聯了基于非對稱定向耦合器的模式(解)復用器,以將輸入的基模信號轉換為高階模信號并將輸出的高階模信號轉換為基模信號進行測量.模式(解)復用器的詳細參數如表2 所示.對于TE0-TE1模式轉換器和TE0-TE2模式轉換器測量,在同一個芯片上設計了一個器件組(device set)和參考組(reference set)用于對器件響應進行歸一化.其中,TEi復用器(multiplexer,MUX)能夠將從輸入端口I-TEi輸入的TE0模式耦合成總線波導中的TEi模式,并且TEiDeMUX 能夠將TEi模式轉換為TE0模式從O-TEi輸出端口輸出.根據圖5(a),(b)中的參考組可以看出,通過從ITEi端口入射光,測量O-TEi端口,然后將測試結果除以2,就能夠得到帶有光柵耦合器的TEi復用器的透射光譜.而當i=0 時,則意味著是光柵耦合器本身的透射光譜.因此,在器件組中,測量TE0-TE1模式轉換器和TE0-TE2模式轉換器的輸出模式的傳輸特性,可以通過在I-TE0端口入射,測量O-TEi端口,并對相應的TEiDeMUX 和光柵耦合器的傳輸進行歸一化得到.

表2 模式(解)復用器的詳細參數Table 2.Detail parameters for the mode (de) multiplexer.

圖5 (a),(c) TE0-TE1 模式轉換器的測試方案顯微圖;(b),(d) TE0-TE2 模式轉換器的測試方案顯微圖以及TE1-TE3 模式復用器的SEM 圖Fig.5.(a),(c) Microscope images of the measure schemes for TE0-TE1 mode converter;(b),(d) microscope images of the measure schemes for TE0-TE2 mode converter and SEM images of TE1-TE3 multiplexer.

以TE0-TE1模式轉換器為例.

1)對于參考組來說,當TE0模式從I-TE0輸入時,假設測得O-TE0端口的值為L0,那么單個光柵耦合器的插損即為L0/2;當TE0模式從I-TE1輸入時,假設測得O-TE1端口的值為L1,那么單個TE1DeMUX 和單個光柵耦合器的插損之和即為L1/2;當TE0模式從I-TE2輸入時,假設測得O-TE2端口的值為L2,那么單個TE2DeMUX和單個光柵耦合器的插損之和即為L2/2.

2)對于器件組來說,當TE0模式從I-TE0輸入時,假設測得O-TE1端口的值為L3,待測的TE0-TE1模式轉換器的插損為LIL=L3—L1/2 —L0/2,其傳輸路線如圖5(c)黃線所示.而另外兩個端口O-TE0和O-TE2則為測量串擾端口,假設測得這兩個端口的值分別為L4和L5,待測的TE0-TE1模式轉換器的串擾分別為LCT0=L4—L0和LCT2=L5—L2/2 —L0/2.

制作得到的TE0-TE1模式轉換器以及TE0-TE2模式轉換器的SEM 圖及其放大的偽彩圖如圖6 所示.圖7 為實驗測試鏈路圖.輸出功率為10 dBm 的可調諧激光(tunable laser source,Santec,TSL-710)從輸入端口輸入,通過光纖偏振控制器(polarization controller,PC)對入射激光的偏振態進行調整以TE 偏振態輸入芯片.通過器件傳輸后,使用光功率計(power meter,Santec,MPM-210)測量輸出端口的光功率輸出.基于該測試鏈路,通過掃描激光波長,即可得到器件的透射光譜響應.

圖6 TE0-TE1 模式轉換器(a)和TE0-TE2 模式轉換器(b)的SEM 圖及其放大的偽彩圖Fig.6.SEM images and corresponding pseudocolor SEM images of TE0-TE1 mode converter (a) and TE0-TE2 mode converter (b).

圖7 模式轉換器的插損和串擾的測試鏈路圖Fig.7.Experimental setup for measuring the insertion loss and crosstalk of mode converter.

圖8 為測試得到的傳輸光譜.根據上述分析可知,受光柵耦合器在長波段(＞ 1580 nm)性能影響,選取了工作波段為1500—1580 nm 的光譜進行分析.對于TE0-TE1模式轉換器而言,圖8(a)中黑色曲線為TE1模的透過率光譜,代表插損.圖8(a)中紅色和藍色曲線分別為TE0模、TE2模的透過率光譜,它們與TE1模的透過率光譜(黑色曲線)的差值即為相應模式之間的串擾.可以看出,在1500—1580 nm 的工作波長范圍內,插損小于1.9 dB,串擾小于—10 dB.對于TE0-TE2模式轉換器而言,圖8(b)中黑色曲線為TE2模的透過率光譜,代表插損.圖8(b)中紅色、藍色和綠色曲線分別為TE0模、TE1模、TE3模的透過率光譜,它們與TE2模的透過率光譜(黑色曲線)的差值即為相應模式之間的串擾.在1512—1580 nm 的工作波長范圍內,插損低于2.5 dB,串擾值小于—10 dB.測試得到的透射光譜比仿真結果稍微差一些,這可能是由于制造誤差引起的,例如波導側壁不夠平滑,對光產生了一些散射.此外,由于光刻和刻蝕誤差的存在,制造的器件尺寸也可能偏離設計值,比如基于非對稱定向耦合器的模式復用器對制造的變化非常敏感,且帶寬較窄,而測試過程中也會引入一定誤差.值得注意的是仿真結果和實驗結果中的頻譜均有振蕩,而且兩者的自由光譜范圍(free spectral range,FSR)不同.這是由于受限于工藝的不完美,制備得到的器件尺寸與仿真沒有完全一致,導致諧振不一樣,即不同的FSR,但是數值上與仿真接近,可驗證仿真結果.類似的現象在文獻[31]中也存在.除此之外,相比于仿真結果中1500 nm 附近的插損和串擾增大,實驗測得的1500 nm 附近的插損和串擾曲線較為平坦.這是因為受到工藝的影響,在實際流片中器件的尺寸和仿真中存在差別,同時在實驗中測試結果也會受到耦合光柵的影響,布拉格波長發生移動.

圖8 測試得到的器件傳輸譜 (a) TE0-TE1 模式轉換器;(b) TE0-TE2 模式轉換器Fig.8.Measured transmission spectra: (a) TE0-TE1 mode converter;(b) TE0-TE2 mode converter.

4 結論

本文通過實驗證明了基于BSWG 結構調節材料各向異性的能力,實現了具有大的最小特征尺寸(145 nm)的模式轉換器.得益于BSWG 與輸入/輸出非對稱錐形波導之間的模式演變和模式耦合,TE0-TE1和TE0-TE2模式轉換器的轉換長度分別為9.39 μm 和11.27 μm.測試得到TE0-TE1模式轉換器在1500—1580 nm 的光譜范圍內的插損小于1.9 dB、串擾小于—10 dB.TE0-TE2模式轉換器在1512—1580 nm 的光譜范圍內插損小于2.5 dB、串擾小于—10 dB.在68 nm (1512—1580 nm,受限于激光器調諧范圍和光柵耦合器)帶寬下,插損和串擾分別小于2.5 dB 和—10 dB.此外,該方案可以擴展以實現其余高階波導模式轉換,在高密度片上MDM 系統和光信號處理系統中具有潛在的應用.