吉 喆, 李 東, 付士儒

(石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,河北 石家莊 050043)

0 引言

絕緣體上硅(SOI)是一種具有3層結(jié)構(gòu)的硅基半導(dǎo)體材料[1]。SOI技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn),其加工工藝與COMS工藝兼容[2]。在SOI結(jié)構(gòu)上刻蝕光柵可實(shí)現(xiàn)光纖光柵耦合,但是光纖外徑與光柵的寬度量級(jí)單位不同,二者之間對(duì)準(zhǔn)難度較大[3-4]。垂直光柵耦合器作為片外光和光芯片的接口,可將片外光從單模光纖入射通過光柵的耦合作用耦合到光子集成電路中,在此過程中采用完全垂直的耦合方式,可以為其加工制作以及器件封裝提供極大的便利[5-7]。

與此同時(shí),對(duì)于這種光纖與波導(dǎo)完全垂直的設(shè)計(jì)方案,在垂直耦合的過程中,有很大一部分光功率會(huì)從SOI結(jié)構(gòu)的Si基底中泄漏,而且會(huì)伴隨光能量的背反射問題,嚴(yán)重影響了耦合效率的提升。傳統(tǒng)光柵耦合器的光源以一定傾斜角度入射,以避免二次反射[8]。鄒靜慧[9]設(shè)計(jì)了一種基于絕緣體上硅的光柵耦合器。入射光以固定角度θ=19.2°入射,得到的最大耦合效率為-3.2 dB(47.9%)。其加工時(shí)有一定難度,耦合效率有待提高。金鑫[10]設(shè)計(jì)的基于亞波長光柵的光柵耦合器,使用FDTD仿真計(jì)算了該非均勻光柵與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合效率,仿真結(jié)果為TM模式1 550 nm波長的耦合效率為-2.99 dB(50.2%),實(shí)驗(yàn)測得的TM模亞波長光柵的耦合效率達(dá)到-6.1 dB(24.5%)。HUANG et al[11]設(shè)計(jì)了一種基于絕緣體上硅逐步加深刻蝕深度的光柵耦合器,該光柵耦合器適用于TE模式下波長為1 550 nm的單模光纖光柵耦合,當(dāng)入射角為10°時(shí)其耦合效率為57%,這種漸變刻蝕深度的光柵結(jié)構(gòu)制作起來較為繁瑣,且耦合效率比較低。

設(shè)計(jì)一種可應(yīng)用于波分復(fù)用技術(shù)的垂直光柵耦合器,其中在Si波導(dǎo)上下刻蝕對(duì)稱光柵,在入射光垂直入射的條件下,為了降低襯底泄漏,在硅基底中加入金屬Al反射鏡;此外,為了減少背反射對(duì)耦合效率的影響,在光柵區(qū)域上方引入雙層Si3N4結(jié)構(gòu),優(yōu)化了雙層Si3N4的寬度和高度等結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)比分析了不同材料的金屬反射鏡與雙層Si3N4結(jié)構(gòu)之間的匹配關(guān)系。結(jié)果表明,當(dāng)使用Al反射鏡和雙層Si3N4結(jié)構(gòu)時(shí)可以獲得更高的垂直耦合效率。設(shè)計(jì)的垂直光柵耦合器為垂直耦合的應(yīng)用和波分復(fù)用技術(shù)提供了新的思路。

1 仿真模型及原理

垂直光柵耦合器采用SOI結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從底部向上依次是Si基底、厚度為2 μm的SiO2埋氧層、厚度為340 nm的Si波導(dǎo)和SiO2覆蓋層,以及光柵上方區(qū)域的雙層Si3N4結(jié)構(gòu)。在Si基底和埋氧層之間加入60 nm的金屬Al反射鏡可以提高光柵耦合器的方向性[12]。在仿真區(qū)域內(nèi),邊界條件設(shè)置為完美匹配層(PML)可以有效吸收光能量,防止反射對(duì)仿真結(jié)果造成影響[13-14]。

圖1 垂直光柵耦合器結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)布拉格條件可以得到所設(shè)計(jì)光柵結(jié)構(gòu)的光柵周期[15],其近似計(jì)算表達(dá)式為

(1)

式中,Neff為有效折射率;λ為光波波長;n1為包層折射率;θ為衍射角;分母取+號(hào)對(duì)應(yīng)透射衍射-1級(jí),取-號(hào)對(duì)應(yīng)透射衍射+1級(jí)。由式(1)可知

(2)

可以實(shí)現(xiàn)入射角為0°的光纖與光柵垂直耦合[16]。

在光柵的上方以及左右波導(dǎo)中加入功率監(jiān)視器,設(shè)輸入的光功率P歸一化為1[17],左右波導(dǎo)中獲得的光功率為P1和P2,則垂直光柵耦合器的耦合效率為[18]

(3)

垂直光柵耦合器初始參數(shù)值如表1所示。

表1 垂直光柵耦合器初始參數(shù)值

圖2 光功率歸一化曲線圖

所設(shè)計(jì)的垂直光柵耦合器按照表1的參數(shù)設(shè)定。當(dāng)波長為1 550 nm的TE模式偏振光在光柵上方區(qū)域激發(fā)垂直入射進(jìn)行耦合時(shí),根據(jù)式(3)可以計(jì)算出光柵耦合效率、襯底泄漏光功率、背反射光功率與波長之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如圖2所示。

由圖2可知,在波長為1 550 nm附近的TE模式偏振垂直入射時(shí),一部分光能量會(huì)通過光柵的耦合作用耦合到左右波導(dǎo)中,設(shè)計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)可獲得48%的耦合效率;一部分光能量會(huì)繼續(xù)向下進(jìn)入到基底中,從襯底中泄漏的光功率為26%;同時(shí)有一部分光能量在入射到光柵上后會(huì)向上反射。

2 垂直光柵耦合器分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 Si3N4層設(shè)計(jì)及優(yōu)化

為防止襯底光能量的泄漏,在Si基底中加入Al反射鏡。綜合考慮加工工藝因素,這里Al反射鏡厚度設(shè)置為60 nm[19-20]。此外,為減少背反射光功率,在光柵區(qū)域上方加入Si3N4層,進(jìn)而提升耦合效率。詳細(xì)討論了Si3N4層的厚度和Si3N4層距離光柵的高度與耦合效率的關(guān)系。

為了保證背反射的光在被Si3N4反射回來后與被光柵耦合到波導(dǎo)中的光產(chǎn)生相干干涉,需要保證2列光的頻率相同,且具有恒定的相位差,入射光和反射光的相位差為

(4)

式中,λ為入射光的波長;n為SiO2的折射率;φ1為Si3N4/SiO2界面的相移,大小為π;φ2為光柵/SiO2界面的相移,當(dāng)

Δφ=2kπ

(5)

k為整數(shù)時(shí),2列光會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的相干干涉[21],從而提高光柵耦合效率。

假設(shè)Si3N4的初始高度為440 nm、初始厚度為300 nm。依次研究分析了當(dāng)Si3N4厚度的變化范圍為90～810 nm、高度在220～1 220 nm范圍內(nèi)均勻變化時(shí),光柵的耦合效率變化趨勢,結(jié)果如圖3所示。

圖3 Si3N4層的結(jié)構(gòu)參數(shù)與光柵耦合效率的關(guān)系

由圖3(a)可以看出,耦合效率隨著Si3N4厚度的增加呈周期性變化,峰值之間的Si3N4厚度差約為370 nm。當(dāng)Si3N4厚度為288 nm時(shí)耦合效率達(dá)到最大,光柵的耦合效率超過了82%。因此設(shè)置Si3N4厚度為288 nm,對(duì)Si3N4高度進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果如圖3(b)所示?？梢钥闯鲴詈闲释瑯与S著Si3N4高度的增加呈周期性變化,峰值之間的Si3N4高度差約為520 nm。當(dāng)Si3N4高度為470 nm時(shí)耦合效率達(dá)到最大,光柵的耦合效率約為84%。即當(dāng)厚度為288 nm、高度為470 nm時(shí)耦合效率達(dá)到峰值。優(yōu)化的目標(biāo)是在波長為1 550 nm的TE模式偏振光入射時(shí)獲得最高的光柵耦合效率。

在優(yōu)化的過程中,發(fā)現(xiàn)仍有部分背反射的光能量,為此在光柵區(qū)域上方加入了雙層Si3N4結(jié)構(gòu),結(jié)果表明其可以有效降低背反射從而提高光柵耦合效率。按照前文思路對(duì)雙層Si3N4的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),分析結(jié)果得知,當(dāng)D1=288 nm、D2=188 nm、H1=470 nm、H2=207 nm時(shí),可獲得峰值耦合效率。對(duì)比分析單層Si3N4結(jié)構(gòu)和雙層Si3N4結(jié)構(gòu)可獲得的光柵耦合效率,曲線如圖4所示。

由圖4可知,在波長1 550 nm處單層Si3N4結(jié)構(gòu)最大可以獲得耦合效率為83.7%,雙層Si3N4結(jié)構(gòu)最大可以獲得耦合效率為92.9%,相比于單層Si3N4結(jié)構(gòu)得到的耦合效率提升了接近10%。對(duì)比發(fā)現(xiàn),雙層Si3N4結(jié)構(gòu)更有利于獲得更高的耦合效率。

圖5 Si3N4寬度對(duì)光柵耦合效率的影響

考慮到雙層Si3N4的寬度可能對(duì)耦合效率產(chǎn)生影響,按照上述最優(yōu)參數(shù)設(shè)定,分析了Si3N4寬度和光柵耦合效率之間的關(guān)系,得到的曲線圖如圖5所示。

由圖5可知,當(dāng)Si3N4的寬度在1～3 μm變化時(shí)耦合效率小幅度變化,隨著寬度的增加而變大,直到寬度超過9 μm后,耦合效率基本不會(huì)變化,主要原因是光纖芯徑為9 μm對(duì)入射光起到了限制作用[21],此時(shí)最大耦合效率為94.2%?？紤]到實(shí)際的加工工藝實(shí)施難度,采用生長形成全覆蓋的雙層氮化硅薄膜。

2.2 不同金屬反射鏡對(duì)耦合效率的影響

當(dāng)金屬反射鏡采用不同材料時(shí),將會(huì)影響耦合效率。研究了無Si3N4和雙層Si3N42種結(jié)構(gòu)在使用Al和Au 2種反射鏡時(shí)耦合效率的變化情況,得到光柵耦合效率的變化曲線如圖6所示。

圖6 不同材料的金屬反射鏡在有無Si3N4結(jié)構(gòu)時(shí)的耦合效率的對(duì)比

由圖6可知,當(dāng)垂直光柵結(jié)構(gòu)中不使用雙層Si3N4結(jié)構(gòu)時(shí),添加厚度為60 nm的Al和Au反射鏡后,耦合效率分別為72.2%、73.6%。相應(yīng)的,在使用雙層Si3N4結(jié)構(gòu)后,配合2種材料的反射鏡的耦合效率分別為94.2%、92.5%。

圖7 優(yōu)化后光功率歸一化曲線圖

對(duì)比有無雙層Si3N4結(jié)構(gòu)時(shí),使用Al、Au反射鏡時(shí)的耦合效率,分別提高了22%、18.9%。使用2種材料的金屬反射鏡獲得的耦合效率十分接近,其中使用Al材料的反射鏡效果提升更高,可以獲得超過94%耦合效率,提升了22%的耦合效率。因此,垂直光柵耦合器的雙層Si3N4結(jié)構(gòu)對(duì)耦合效率的提升很可觀,雙層Si3N4結(jié)構(gòu)匹配Al反射鏡使用可以得到較高的耦合效率。優(yōu)化后的光功率歸一化曲線圖如圖7所示。

如圖7所示,優(yōu)化后的垂直光柵耦合器可以獲得較高的耦合效率。加入金屬Al反射鏡可以有效防止襯底泄漏,但同時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重的背反射損耗[22-23]。在光柵上方區(qū)域加入雙層Si3N4結(jié)構(gòu)配合金屬Al反射鏡使用,背反射光功率明顯降低。

結(jié)果表明,對(duì)于波長為1 550 nm的TE模式偏振光,當(dāng)光柵周期為579 nm,占空比為67.5%,埋氧層厚度2 μm,光柵上下刻蝕深度均為110 nm,在Si基底中加入了厚度為60 nm的Al反射鏡,以及在光柵上方區(qū)域加入了雙層Si3N4結(jié)構(gòu),最終可獲得超過94%的垂直耦合效率。與未添加金屬反射鏡和雙層Si3N4的垂直耦合光柵相比,耦合效率提高了約46%。

2.3 制備工藝及容差分析

垂直光柵耦合器加工流程如圖8所示:①Si基底清洗;②PVD(物理氣相沉積)生長厚度為60 nm的Al薄膜;③光刻,刻蝕形成Al反射鏡圖形結(jié)構(gòu);④CVD(化學(xué)氣相沉積)生長厚度為2.11 μm的SiO2薄膜;⑤光刻光柵結(jié)構(gòu)圖形,并RIE(反離子刻蝕)刻蝕SiO2,刻蝕深度為110 nm,刻蝕后去膠;⑥PVD生長厚度為340 nm的Si薄膜;⑦由于PVD具有保形性,因此生長的Si薄膜是具有光柵結(jié)構(gòu)起伏的,采用CMP(研磨拋光)進(jìn)行平坦化;⑧光刻光柵結(jié)構(gòu)圖形,并RIE(反離子刻蝕)刻蝕,刻蝕深度為110 nm,刻蝕后去膠;⑨CVD生長厚度為580 nm的SiO2;⑩同樣,由于CVD保形性,后面加一步CMP進(jìn)行平坦化,使SiO2平整;CVD生長厚度為288 nm的Si3N4,CVD生長厚度為207 nm的SiO2,CVD生長厚度為188 nm的Si3N4,CVD生長SiO2。

圖8 光柵耦合器制備流程示意圖

圖9 對(duì)準(zhǔn)容差分析圖

該器件在加工制備過程中,由于其最小特征尺寸為 nm級(jí)別,對(duì)其加工精準(zhǔn)度有著很高的要求。對(duì)加工過程中耦合器與入射光斑的相對(duì)位置進(jìn)行了誤差容限分析,結(jié)果如圖9所示。

如圖9所示,在入射光源的光斑與光柵耦合器的相對(duì)位置,在-2～2 μm的范圍內(nèi),均可以獲得超過90%的耦合效率,該器件設(shè)計(jì)表現(xiàn)出良好的對(duì)準(zhǔn)誤差容限特性。器件的誤差容限高,可以極大地降低加工工藝難度,具有更高的成本效益。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種可用于波分復(fù)用的雙層Si3N4垂直光柵耦合器結(jié)構(gòu),并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。分析了提高光柵耦合效率的方法,從降低背反射和防止襯底泄漏2個(gè)方面對(duì)垂直光柵耦合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提高耦合效率。重點(diǎn)研究了雙層Si3N4的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耦合效率的影響,對(duì)其5個(gè)參數(shù)進(jìn)行了逐一優(yōu)化,獲得峰值耦合效率時(shí)雙層Si3N4的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果表明,優(yōu)化后的垂直光柵耦合器在波長為1 550 nm的TE模式偏振光的光纖光柵耦合效率超過了94%,相比于未添加額外結(jié)構(gòu)的垂直光柵耦合器提高了約46%的耦合效率。該設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)光柵耦合器必須以一定角度入射的問題,降低了制作難度和成本,適用于波分復(fù)用應(yīng)用的光接口和低成本的硅光器件光纖封裝。