劉 海，邵齊元，張硯曾，趙 嘉，陳 聰，白冰冰

(1. 中國礦業(yè)大學地下空間智能控制教育部工程研究中心 江蘇 徐州 221116；2. 中國礦業(yè)大學信息與控制工程學院 江蘇 徐州 221116)

近年來，光子晶體微腔結(jié)構(gòu)[1]因具有高品質(zhì)因數(shù)、易于設(shè)計等優(yōu)點而受到越來越多的關(guān)注，廣泛應(yīng)用于通信、傳感器領(lǐng)域。由于硅(Si)具有較高折射率，能夠?qū)崿F(xiàn)光學器件在小體積上大規(guī)模集成，并且與互補金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor, CMOS)有良好的兼容性，因此被認可為是極有前途的光子學材料。硅的熱光系數(shù)(thermo-optic coefficient)較高，常被用作制造光學溫度傳感器[2-3]。然而，這一溫度敏感特性也導(dǎo)致硅光子器件在溫度不穩(wěn)定環(huán)境下的應(yīng)用受到限制，如波分復(fù)用系統(tǒng)中的光濾波器[4]。以純硅環(huán)形諧振濾波器為例，即使環(huán)境溫度變化很小，諧振器也將失諧。故在制作復(fù)雜溫度條件下工作的硅光子器件時，必須考慮硅器件的熱穩(wěn)定性。實現(xiàn)硅波導(dǎo)諧振濾波器溫度不敏感的一種途徑是在波導(dǎo)空隙處填充熱光系數(shù)為負的包層材料，而SU-8 光刻膠能夠很好地滿足這一要求，從而設(shè)計出一款具有良好熱穩(wěn)定性的光學波導(dǎo)。

二氧化釩(VO2)材料因其特有的熱引發(fā)相變特性，自1959 年被提出[5]以來就成為各領(lǐng)域研究的熱點。2017 年文獻[6]在實驗中通過硅光子結(jié)構(gòu)中嵌入VO2相變材料，實現(xiàn)了波導(dǎo)全光開關(guān)作用。

然而由于目前對與溫度不敏感的光子晶體微腔的研究極少，以往對于波導(dǎo)中VO2嵌入的研究雖然使用了VO2的溫度相變特性，卻忽略了溫度對于硅波導(dǎo)本身的熱效應(yīng)[7]。為了消除溫度變化時波導(dǎo)中硅的熱光效應(yīng)對VO2開關(guān)機制的影響，本文設(shè)計出一種新型的溫度不敏感光子晶體微腔，將溫度不敏感的性質(zhì)與VO2材料的溫度相變特性結(jié)合，提出一種諧振峰不隨溫度移動的熱驅(qū)動開關(guān)，進行級聯(lián)優(yōu)化。該波導(dǎo)開關(guān)具有高消光比、諧振溫度不敏感、可級聯(lián)等優(yōu)點，有希望實現(xiàn)芯片內(nèi)高速、小型化光開關(guān)和光調(diào)制器。

1 實驗設(shè)計與仿真

1.1 溫度補償原理

通常光在純硅波導(dǎo)中傳輸時，大部分光能被限制在硅中傳輸，因此溫度發(fā)生改變時硅的熱光效應(yīng)對波導(dǎo)的諧振情況有顯著影響，只有在負熱光系數(shù)聚合物包層中分布足夠的光能，才能補償硅波導(dǎo)的正熱光效應(yīng)[8-9]。為了實現(xiàn)波導(dǎo)的溫度不敏感特性，在硅波導(dǎo)上覆蓋一層SU-8 光刻膠[10]包層，這種材料的熱光系數(shù)為負值，可有效地減少硅波導(dǎo)諧振隨溫度的漂移，降低波導(dǎo)開關(guān)的溫度敏感特性。

常溫下，硅、SU-8 和二氧化硅在波長1.6 μm 附近折射率分別為3.46、1.57 和1.44[11]。對于一維光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)的有效熱光系數(shù)可以表示為[12]：

當dneff/dT =0時，理論上可以得到零溫度敏感的波導(dǎo)。dnsi/dT=-1.8×10-4?C-1， dnSU-8/dT=3.5×10-4?C-1，所以 Γsi應(yīng)是ΓSU-8的1.95 倍。

圖1 為光子晶體諧振腔三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖2a為光子晶體諧振腔平面示意圖。選取硅層厚度為220 nm，二氧化硅襯底厚度為2 μm 的SOI(Siliconon-insulator)平臺?；趥鹘y(tǒng)的一維光子晶體諧振腔，設(shè)計波導(dǎo)為對稱結(jié)構(gòu)，諧振腔為長半軸不同的橢圓柱，SU-8 填充在橢圓硅柱周圍。硅橢圓柱諧振腔的長半軸和短半軸分別設(shè)為 Rx和 Ry，Ry1和Rymax分別表示中心位置橢圓的長半軸和端部的長半軸。諧振腔內(nèi)橢圓柱個數(shù)N=29， N=2imax-1。橢圓柱長半軸為：式中，i 從1 遞增至imax。硅脊波導(dǎo)寬度1 μm，與硅波導(dǎo)同樣厚度以及寬度的SU-8 包層填充在波導(dǎo)空隙處。圖2b、2c 分別為入射波長1 591 nm，晶格周期a = 0.41 μm，Rx=0.155 μm，Ry= 0.27 μm，Rymax= 0.45 μm 時，波導(dǎo)x-y 截面與波導(dǎo)中心位置y-z截面的穩(wěn)態(tài)電場圖，光場受限制均勻分布在SU-8與硅柱中，說明波導(dǎo)內(nèi)的光同時受這兩種介質(zhì)的熱光效應(yīng)影響。

圖2 穩(wěn)態(tài)電場分布圖(橫截面圖)

1.2 溫度補償仿真實驗

為了驗證SU-8 的負熱光效應(yīng)可以有效補償硅的正熱光效應(yīng)，本文使用FDTD Solutions 仿真軟件對純硅波導(dǎo)與填充SU-8 包層后的波導(dǎo)進行了溫度影響的對比，當溫度由0 °C 上升至80 °C 時，兩種波導(dǎo)諧振峰的溫度漂移情況如圖3 所示，這兩種波導(dǎo)并未對上文的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行改動，區(qū)別僅在于有無SU-8 填充。

溫度靈敏度S =dλ/dT是評估傳感器性能的一個重要指標， dT是溫度變化量， dλ是由于溫度變化引起的透射譜漂移量，其含義是單位溫度變化所致的透射譜變化程度。由于本文希望SU-8 能有效補償硅波導(dǎo)的熱光效應(yīng)，因此波導(dǎo)的溫度靈敏度應(yīng)盡可能低。圖3a 為空氣包層的純硅波導(dǎo)，諧振峰隨溫度升高發(fā)生紅移，諧振波長由1 524 nm 線性移動至1 536 nm，溫度靈敏度達到了150 pm/°C。而對波導(dǎo)填充SU-8 包層進行溫度補償后的諧振峰漂移如圖3b 所示，諧振波長集中在1 591 nm，溫度改變時漂移量可以忽略不計。圖4 是以晶格周期a = 0.41 μm、Rx= 0.155 μm 為基準，改變a 與Rx大小，波導(dǎo)溫度靈敏度隨之發(fā)生改變。隨著波導(dǎo)中SU-8 的占比增大，波導(dǎo)諧振峰由溫度升高發(fā)生紅移慢慢變?yōu)闇囟壬甙l(fā)生藍移。符合先前的預(yù)測結(jié)果，即SU-8 的占比越多，光場在SU-8 中分布越多。

圖3 不同環(huán)境溫度下波導(dǎo)填充SU-8 包層前后的透射譜

圖4 溫度靈敏度與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

2 VO2 熱開關(guān)機制

VO2是一種可逆熱致相變材料[15]，在溫度高于68°C 時會由半導(dǎo)體態(tài)單斜結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為金屬態(tài)金

紅石四方結(jié)構(gòu)，光學性質(zhì)與電學性質(zhì)發(fā)生突變，電阻率發(fā)生4 個量級的變化，同時近紅外的光傳輸率顯著降低。這種材料的相變特性稱之為VO2材料的金屬-半導(dǎo)體相變(metal-semiconductor transition,MST)，而且其晶體結(jié)構(gòu)相變過程的時間非常短，僅需要幾納秒至幾百納秒[16-17]。由于這些獨特的特性，VO2被認為是制作高靈敏度超高速溫度探測器、智能隔熱窗、光電開關(guān)和光電轉(zhuǎn)換單元等[18-19]的優(yōu)秀材料。

為了結(jié)合VO2的溫度相變特性實現(xiàn)波導(dǎo)的溫度開關(guān)作用，在波導(dǎo)前端添加VO2貼片，如圖5 所示，VO2貼片的橫截面尺寸與波導(dǎo)相同，寬度暫設(shè)為100 nm。由于VO2的溫度相變特性，溫度由低溫升至68°C 以上時，VO2貼片的光學性質(zhì)發(fā)生突變，消光系數(shù)增大，波導(dǎo)的透射率會大幅度降低，從而達到光開關(guān)的作用。填充SU-8 補償后的波導(dǎo)溫度開關(guān)不僅具有良好的消光性，特征峰峰值也不會隨溫度變化明顯的漂移。本文繪制了VO2相變前后兩種不同狀態(tài)下開關(guān)的透射情況，圖6a 為波導(dǎo)開關(guān)在1 570～1 610 nm 波長處不同溫度時的透射譜，諧振峰集中在1 591 nm 處，幾乎無漂移。圖6b為波導(dǎo)開關(guān)諧振峰峰值在不同溫度下的透射率，由開關(guān)低溫狀態(tài)(ON)時的64%，降至開關(guān)高溫狀態(tài)(OFF)時的26%。此開關(guān)與以往大部分光子晶體光學開關(guān)不同，僅在幅值上發(fā)生了變化，而峰值位置未發(fā)生漂移。

圖5 加入VO2 后的開關(guān)結(jié)構(gòu)及其局部放大圖

圖6 波導(dǎo)開關(guān)在不同溫度下的透射情況

3 開關(guān)性能分析

根據(jù)上文中透射數(shù)據(jù)計算VO2波導(dǎo)開關(guān)的插入損耗(insertion loss)和消光比(extinction ratio)。其中插入損耗是指VO2貼片處于半導(dǎo)體狀態(tài)下(開關(guān)ON 狀態(tài))嵌入波導(dǎo)開關(guān)的傳輸損耗，為：

式中， Pin和 Pout分別是波導(dǎo)開關(guān)歸一化后輸入和輸出的光功率，其中Pin=1。消光比是由VO2在半導(dǎo)體(開關(guān)ON 狀態(tài))與金屬狀態(tài)(開關(guān)OFF 狀態(tài))下嵌入波導(dǎo)后的傳輸效率損耗差值計算得到：

式中，LOFF是波導(dǎo)開關(guān)處于OFF 狀態(tài)時波導(dǎo)的傳輸損耗。VO2厚度對開關(guān)的插入損耗與消光比影響較大，如圖7a 為波長1 591 nm 時波導(dǎo)的透射率與VO2厚度的關(guān)系，圖中方形空心點表示VO2處于低溫半導(dǎo)體狀態(tài)，圓形實心點表示VO2處于高溫金屬狀態(tài)。圖7b 表示Lvo2從0 nm 增至2 000 nm時，波導(dǎo)開關(guān)的插入損耗從0.8 dB 線性下降至25.8 dB。圖7c 為波導(dǎo)開關(guān)消光比隨VO2厚度的變化，可以看出消光比在VO2貼片厚度為1 400 nm時達到最大值22.4 dB。考慮到開關(guān)插入損耗不應(yīng)過大，選擇VO2貼片厚度為200 nm，此時波導(dǎo)開關(guān)具有約3.2 dB 插入損耗和約9.5 dB 的消光比。圖7d 為VO2貼片厚度為200 nm 時，波導(dǎo)輸出端處于ON/OFF 狀態(tài)下y-z 截面穩(wěn)態(tài)電場圖，電場強度由開關(guān)ON 狀態(tài)切換至OFF 狀態(tài)時明顯降低，說明開關(guān)具有良好的消光特性。

圖7 開關(guān)性能分析

此外，本文還設(shè)計了一種新的級聯(lián)方法來優(yōu)化波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)的消光比。選取VO2貼片厚度100 nm，將兩個相同的開關(guān)前后級聯(lián)，拼接后如圖8 所示。波導(dǎo)開關(guān)級聯(lián)個數(shù)可以增加，級聯(lián)個數(shù)與波導(dǎo)開關(guān)損耗以及消光比之間的關(guān)系如表1 所示。由表可知波導(dǎo)開關(guān)的級聯(lián)個數(shù)越大，插入損耗越大，而消光比在4 個波導(dǎo)進行級聯(lián)時達到最大值27.46 dB，插入損耗為8.11 dB。利用這種周期性一維級聯(lián)的方法可以對此類型波導(dǎo)開關(guān)進行量產(chǎn)以實現(xiàn)對不同消光比的需求，可以有效減少生產(chǎn)成本，同時降低生產(chǎn)工藝帶來的誤差，便于集成。

圖8 級聯(lián)后的波導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

表1 波導(dǎo)級聯(lián)后的開關(guān)參數(shù)

4 結(jié) 束 語

本文設(shè)計了一款新型一維光子晶體波導(dǎo)溫度開關(guān)，利用VO2材料的溫度相變特性作為開關(guān)機制，通過填充SU-8 這一負熱光系數(shù)材料來補償硅波導(dǎo)諧振峰的溫度敏感特性，減小了濾波后諧振峰的溫度漂移。開關(guān)通過溫度調(diào)控，當VO2厚度為200 nm 時，波導(dǎo)開關(guān)在1 591 nm 處具有約3.2 dB插入損耗和約9.5 dB 的消光比。此外，還提出了一種新的波導(dǎo)級聯(lián)方式，通過簡單級聯(lián)實現(xiàn)開關(guān)消光比的優(yōu)化。這類光開關(guān)結(jié)構(gòu)體積小，易于與其他光學器件集成，在濾波與光通信方向具有良好的應(yīng)用價值。