崔丹鳳，薛晨陽* ，仝小剛，晉玉劍，宛克敬，張文棟，

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051)

由于硅波導(dǎo)具有超高對(duì)比折射率［1］以及采用先進(jìn)的微加工技術(shù)，基于絕緣體上硅(SOI)材料的納米光波導(dǎo)在集成光學(xué)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)的集成光波導(dǎo)相比更便于測試，并且大大減小了所占用的面積。同時(shí)，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在傳感領(lǐng)域也具有很好的應(yīng)用前景［2］，它是實(shí)現(xiàn)納米尺度受限空間內(nèi)光互連、光耦合等能量傳輸并實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)相互作用的耦合器。但波導(dǎo)層(幾百納米)與標(biāo)準(zhǔn)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(gè)問題，我們迫切的需要一種高效的光纖－硅波導(dǎo)耦合器，因此，通過在光纖與硅波導(dǎo)之間添加光柵耦合器的方法也越來越受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

波導(dǎo)耦合光柵由周期為納米尺度的光柵結(jié)構(gòu)、波導(dǎo)層以及襯底組成。入射光從光纖射出通過光柵導(dǎo)入到波導(dǎo)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(dǎo)耦合納米光柵理論［7］的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了不同光柵參數(shù)以及光以不同角度入射對(duì)于光柵耦合效率的影響，這將對(duì)以后的研究奠定一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 納米光柵耦合器的設(shè)計(jì)

圖1為波導(dǎo)耦合光柵結(jié)構(gòu)［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(dǎo)層的厚度為340 nm。在波導(dǎo)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(jié)構(gòu)示意圖

衍射光柵是方孔連續(xù)線陣周期排列的器件，表現(xiàn)為透射部分和遮光部分周期分布。當(dāng)平面波照射此衍射光柵時(shí)，光經(jīng)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(jí)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?chǔ)唉司涂梢愿淖冄苌浞较?，而改變狹峰寬度和形狀，則可以改變透射光強(qiáng)。

波導(dǎo)光柵可以看作是去除光柵的波導(dǎo)基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)及加上光柵后引起的折射率變化Δε之和。假設(shè)光柵是沿著波導(dǎo)面(y，z)擴(kuò)散的周期性結(jié)構(gòu)，Δε利用傅里葉變換可以表示成

兩個(gè)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(zhì)時(shí)的折射率。對(duì)相鄰光柵的衍射，其光程差為波長的整數(shù)倍(2mπ)時(shí)，在傳播方向上衍射光被增強(qiáng)。

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(duì)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(jié)構(gòu)的對(duì)稱性以及入射光的波長等都是重要的因素。本文對(duì)于光柵的刻蝕深度即波導(dǎo)的傳輸厚度進(jìn)行了詳細(xì)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(jìn)光柵，再通過波導(dǎo)傳輸出去的光將會(huì)更少，這嚴(yán)重的影響其耦合效率。反之，如果刻蝕的過深，則會(huì)增加光的反射，同樣會(huì)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(duì)光柵的不同槽深進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖2所示。從結(jié)果可以看出光柵刻蝕深度減小即波導(dǎo)層變厚會(huì)使得入射光的調(diào)諧范圍向長波方向偏移。對(duì)于1 550 nm的波長來說在刻蝕深度為150 nm時(shí)，其耦合效率最高。

圖2 光柵刻蝕深度對(duì)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(shù)有關(guān)，并且強(qiáng)烈依賴于入射光與光柵之間的角度。可調(diào)諧激光器通過單模光纖在光柵的上方入射時(shí)，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(dǎo)光柵的二級(jí)反射峰，有效地調(diào)整了模式匹配以及提高了耦合效率。同時(shí)，由于偏離垂直方向的角度相對(duì)較小，在近似計(jì)算中可以將其忽略不計(jì)。其仿真結(jié)果如圖3所示。對(duì)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(shí)有較大的耦合效率。

圖3 不同入射角度對(duì)耦合效率的影響

在得到最優(yōu)光柵參數(shù)及入射角度的基礎(chǔ)上，我們通過在硅波導(dǎo)及光柵表面均勻旋涂增透膜，理論上可以進(jìn)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(dǎo)表面散射，增強(qiáng)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(shí)，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(jìn)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(jié)過進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增透膜可以有效的增強(qiáng)輸出光強(qiáng)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(dá)76%。如圖5所示。

圖5 添加增透膜后對(duì)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(duì)10 μm寬的光波導(dǎo)進(jìn)行光柵加工。聚焦離子束技術(shù)是在電場和磁場作用下，將離子束斑聚焦到亞微米/納米級(jí)尺寸，通過偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和加速系統(tǒng)控制離子源，實(shí)現(xiàn)微細(xì)束加工的新技術(shù)。與其他高能粒子束流相比，離子束具有較大的質(zhì)量，能夠以很高的能量和較短的波長直接把圖案轉(zhuǎn)移到較硬的基底材料上，可實(shí)現(xiàn)無掩膜加工。

由于微結(jié)構(gòu)的尺寸受限于加工時(shí)間，較低的加工速度是FIB技術(shù)最大的缺點(diǎn)，但是對(duì)于光柵耦合器這種尺寸相對(duì)較小、耗時(shí)相對(duì)較少的結(jié)構(gòu)來說這種方法仍然是可行的，較慢的刻蝕速率會(huì)對(duì)光柵各種參數(shù)有更精確的控制，而且它定位準(zhǔn)確，分辨率很高(可以達(dá)到數(shù)個(gè)納米量級(jí))，能夠以很高的精度實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，這些優(yōu)點(diǎn)使得FIB刻蝕方法在光柵加工方面仍占有其獨(dú)特的優(yōu)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(yōu)參數(shù)值。其SEM圖如圖6所示。

圖6 納米光柵結(jié)構(gòu)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(jīng)完成了對(duì)測試平臺(tái)的搭建并驗(yàn)證了實(shí)際情況與仿真結(jié)果相符，如圖7所示。利用NewFocus可調(diào)諧激光器作為輸入光源，與摻餌光纖放大器連接，能夠?qū)⒓す馄鞯妮敵龉β史糯笠欢ǖ谋稊?shù)，使其具有固定統(tǒng)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(tài)對(duì)光柵耦合效率的影響。光輸出至光柵耦合器，與硅波導(dǎo)光柵進(jìn)行垂直耦合后經(jīng)直波導(dǎo)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)相同的光柵耦合器將光輸出。輸出光信號(hào)經(jīng)光電探測器后由示波器顯示。

圖7 測試平臺(tái)

在此過程中，我們使用精密的三維調(diào)節(jié)架將輸入和輸出的單模光纖分別進(jìn)行固定，使其能夠靈活調(diào)動(dòng)，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(gè)二維調(diào)節(jié)架上。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了方便進(jìn)行單模光纖與光柵的對(duì)準(zhǔn)，我們同時(shí)用到了紅外CCD和長焦距的視頻顯微鏡。輸出光纖與功率計(jì)相連，用來探測輸出光強(qiáng)。通過功率計(jì)所得到的輸出光功率就可以算出其光柵的耦合效率。

實(shí)驗(yàn)中，我們在硅波導(dǎo)及光柵表面均勻旋涂增透膜，其厚度約為500 nm。采用逐點(diǎn)測試的方法對(duì)該納米光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行垂直耦合測試。影響該結(jié)構(gòu)耦合效率的因素有很多，包括光端面反射、傳輸波導(dǎo)損耗、光柵基底泄露、反方向光的傳輸?shù)?。其中，由于光波?dǎo)的非理想性和固有特性決定了光波導(dǎo)的損耗是不可避免的。本文在忽略了傳輸波導(dǎo)損耗的前提下，采用逐點(diǎn)調(diào)諧的方式，以步長為0.5 nm在1 520 nm到1 570 nm之間進(jìn)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(shí)的耦合效率進(jìn)行比較。結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)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(jié)果比較

圖9 耦合效率的測試結(jié)果

4 結(jié)論

在制備波導(dǎo)耦合納米光柵結(jié)構(gòu)的過程中，對(duì)該結(jié)構(gòu)耦合效率的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究和實(shí)驗(yàn)。目前，我們已經(jīng)制備出了14 μm長、10 μm寬的光柵，結(jié)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(dǎo)的傳輸效率大大提高了?？烧{(diào)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(guān)系，即光柵周期增大或波導(dǎo)層變厚都會(huì)使得入射光調(diào)諧范圍向長波方向偏移，因此，可以通過設(shè)計(jì)光柵參數(shù)獲得與實(shí)際應(yīng)用相匹配的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)，通過添加增透膜進(jìn)一步有效提高了光的耦合效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬相符合。這對(duì)于光柵垂直耦合的進(jìn)一步研究具有重要意義。

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