硅基光電子布拉格光柵器件的理論、設(shè)計(jì)和應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
; }  K) E: V' W. L8 _硅基光電子已成為光電子集成芯片的重要技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信之外的各種應(yīng)用。在硅基光電子集成線路中，基于集成波導(dǎo)布拉格光柵的波長(zhǎng)選擇性器件是一類關(guān)鍵組件。本文概述了硅基光電子布拉格光柵器件的理論、設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用。

布拉格光柵理論與設(shè)計(jì)
布拉格光柵是波導(dǎo)有效折射率的周期性擾動(dòng)。這些擾動(dòng)沿波導(dǎo)長(zhǎng)度產(chǎn)生波長(zhǎng)選擇性反射。最大反射發(fā)生的布拉格波長(zhǎng)λB由下式給出：
# N$ b& o! n2 d0 C
) f( m. @) t' X, g& gλB = 2neffΛ
2 T& V' i+ K8 ~" O/ Y2 c
其中neff是平均有效折射率，Λ是光柵周期。
) Y8 c5 h7 b! Z/ j2 R& ~3 _$ ~
6 A" A/ z" n1 _, K0 |均勻布拉格光柵的反射系數(shù)可以用耦合模式理論推導(dǎo)。決定光柵響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)包括耦合系數(shù)κ（衡量單位長(zhǎng)度的反射強(qiáng)度）和光柵長(zhǎng)度L。峰值功率反射率由下式給出：

Rpeak = tanh2（κL）

: z: ^5 s$ z/ Z  A# a反射峰兩側(cè)第一個(gè)零點(diǎn)之間的帶寬為：

% w; e, J! G3 k: |+ F( ?/ z8 L% qΔλ = （λB2/πng）（κ2 + （π/L）2）1/2
5 w; s5 Y) z% V
+ f/ Q# A6 a6 I7 s' z" E其中ng是群折射率。
2 f6 Q9 p+ `; `3 @$ i
& X" k) r( E! r7 D( @3 l* x圖1顯示了布拉格光柵的典型傳輸和反射響應(yīng)，突出顯示了布拉格波長(zhǎng)和帶寬。
' b! j: `2 u! {4 z! {$ E
在硅基光電子中，布拉格光柵通常通過(guò)在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中引入周期性擾動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。常見(jiàn)的方法包括側(cè)壁波紋、包層調(diào)制和離子注入。本文重點(diǎn)介紹側(cè)壁波紋光柵，可以在條形和脊型波導(dǎo)上制造。
: @% x$ C; t- H* H! u
圖2展示了硅基光電子平臺(tái)上各種類型的布拉格光柵，包括（a）不同的光柵結(jié)構(gòu)和（b）條形和脊型波導(dǎo)上的側(cè)壁波紋光柵。

側(cè)壁波紋光柵的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)包括：
3 m* A' D( G' v! r" @

波導(dǎo)高度（H）

平均波導(dǎo)寬度（W）

波紋寬度（ΔW）

波紋周期（Λ）
- w/ f& o, U  z; k- l. G  o
0 O4 Z* g! k$ y' L這些參數(shù)影響光柵的中心波長(zhǎng)和光學(xué)帶寬。條形波導(dǎo)光柵允許單次蝕刻制造，而脊型波導(dǎo)光柵可以更精確地控制耦合系數(shù)。

5 J! @3 h1 ?; Z實(shí)際設(shè)計(jì)考慮因素
在設(shè)計(jì)布拉格光柵用于實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須考慮幾個(gè)實(shí)際因素：
2 T0 }$ v' x+ v5 C: H1. 制造變異性：硅基光電子平臺(tái)對(duì)波導(dǎo)幾何形狀的制造變化很敏感。這可能會(huì)改變光柵的中心波長(zhǎng)并引入相位噪聲。脊型波導(dǎo)光柵通常對(duì)制造缺陷更具耐受性。
2. 光刻效應(yīng)：精細(xì)的光柵特征受光刻引起的平滑和鄰近效應(yīng)影響。這可能會(huì)降低光柵強(qiáng)度并改變其光譜響應(yīng)。電子束光刻提供更高的分辨率，但吞吐量低于深紫外光刻（DUVL）。

. M$ _8 Q9 O7 R2 u- ?. V# Q圖3比較了（a）理想光柵設(shè)計(jì)與制造和計(jì)算預(yù)測(cè)形狀，并（b）顯示了對(duì)光柵帶寬的影響。
- U. Y4 e0 m" l9 J% i# R* y* A
$ t  [3 a' O; R9 E* @4 e% I3. 調(diào)制：沿光柵長(zhǎng)度調(diào)整光柵強(qiáng)度剖面可以抑制光譜側(cè)瓣。常見(jiàn)的調(diào)制函數(shù)包括高斯、升余弦和sinc剖面。

+ X  E% l* G( F: i% n! o圖4展示了調(diào)制對(duì)布拉格光柵器件反射光譜的影響。

# ^; w0 S. W! E$ W7 h: T布拉格光柵的應(yīng)用
$ t7 j4 z# @. `( ?& C/ U1. 混合集成激光器
" Y0 e1 ]% `' M% N布拉格光柵在混合集成激光器中起著關(guān)鍵作用，這種激光器將III-V增益材料與硅基光電子線路相結(jié)合。在分布式布拉格反射器（DBR）激光器中，相移布拉格光柵形成諧振腔和反射鏡。
, M$ c0 |1 P# J0 q# g: Y
圖5顯示了（a）混合集成DBR激光器的結(jié)構(gòu)和（b）可調(diào)諧激射波長(zhǎng)。
( ^5 {6 r! |% {7 r& c5 m& Y" G
5 m- g+ \- Z3 G' [! o2. 生物傳感器
" c  }* T% f  v/ i! @" a布拉格光柵可用作芯片實(shí)驗(yàn)室光學(xué)生物傳感器中的諧振器件。分析物與導(dǎo)波模式的倏逝場(chǎng)相互作用，改變有效折射率并移動(dòng)光柵的諧振波長(zhǎng)。相移布拉格光柵提供高品質(zhì)因數(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)限。

圖6展示了（a）相移布拉格光柵生物傳感器，（b）對(duì)不同分析物濃度的響應(yīng)，和（c）用于提高靈敏度的多盒設(shè)計(jì)。

3. 色散補(bǔ)償
6 n2 t9 J: X, G8 G0 O啁啾布拉格光柵（光柵周期沿長(zhǎng)度變化）可用于光鏈路的色散補(bǔ)償。不同波長(zhǎng)從光柵的不同部分反射，提供波長(zhǎng)依賴的時(shí)間延遲，以"重新壓縮"展寬的光脈沖。
9 H) Z' o. T4 E  N
圖7顯示了（a）長(zhǎng)啁啾布拉格光柵的緊湊螺旋設(shè)計(jì)和（b）測(cè)量的反射譜和群延遲。
: i& \* [4 M- [% Z; U3 p# Y0 Q
反向方向耦合器
/ Z' s, U4 C: Y% c6 D1 H! n2 d" v8 S反向方向耦合器（contra-DC）是基于布拉格光柵的器件，由兩個(gè)耦合的、非對(duì)稱周期性擾動(dòng)波導(dǎo)組成。選擇性地將特定波長(zhǎng)從一個(gè)波導(dǎo)的前向傳播模式耦合到另一個(gè)波導(dǎo)的后向傳播模式。
0 a4 g% {( }5 j4 {& N0 s1 J4 c
8 s. K( V$ E" |: M7 ]圖8展示了（a）反向方向耦合器的工作原理和（b）關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

反向方向耦合器特別適用于實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中的加/降復(fù)用器�？梢詢�(yōu)化設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)所需的濾波器特性，如帶寬、插入損耗和消光比。

圖9顯示了（a）制造的反向方向耦合器的SEM圖像和（b）測(cè)量的光譜響應(yīng)。

先進(jìn)的反向方向耦合器設(shè)計(jì)
1. 級(jí)聯(lián)反向方向耦合器
% e( `. b! [; {. V4 d7 K0 ~1 c多個(gè)反向方向耦合器可以級(jí)聯(lián)以增強(qiáng)濾波器性能。這種方法可以顯著提高消光比和帶外抑制。
$ m. ?6 [/ D0 m  l8 \( t: p
8 a4 s8 Y3 a' U) v7 D圖10呈現(xiàn)了（a）級(jí)聯(lián)反向方向耦合器設(shè)計(jì)的示意圖和（b）測(cè)量的具有改進(jìn)性能指標(biāo)的光譜響應(yīng)。
- n6 D# A; @& l0 \! v
' y, |$ H! q: z2 `$ i2. 多通道光學(xué)加/降復(fù)用器
9 w' s: N6 F* |& b; j0 g( m+ `級(jí)聯(lián)反向方向耦合器可以擴(kuò)展為具有高通道隔離度的多通道光學(xué)加/降復(fù)用器（OADM）。
1 T. k' t% M9 Y" [! F7 p
圖11顯示了基于級(jí)聯(lián)反向方向耦合器的4通道OADM的（a）相位匹配條件，（b）示意圖，（c）SEM圖像，和（d）測(cè)量響應(yīng)。
7 S/ w7 S4 L, `/ Z, J7 O
2 X9 Y% w* z9 }3. 寬帶光學(xué)加/降復(fù)用器
亞波長(zhǎng)光柵（SWG）基波導(dǎo)可用于設(shè)計(jì)帶寬超過(guò)30 nm的反向方向耦合器。

( T1 t& Y. U& z; c# L# E圖12展示了（a）基于SWG的反向方向耦合器設(shè)計(jì)和（b）耦合區(qū)域的SEM圖像。


圖13呈現(xiàn)了（a）單個(gè)基于SWG的反向方向耦合器和（b）級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)的測(cè)量響應(yīng)，展示了寬帶寬和高帶外抑制。

7 d1 L* k# n, I4 K, o' I9 K
! o3 r( E/ V/ ]9 X' N結(jié)論
& ], n6 U* C1 ]布拉格光柵和反向方向耦合器是硅基光電子集成線路的多功能構(gòu)建模塊。從激光器和傳感器到先進(jìn)的波長(zhǎng)濾波器件，使這些組件能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的應(yīng)用。通過(guò)理解基本理論和實(shí)際設(shè)計(jì)考慮因素，工程師可以充分利用這些組件的潛力，創(chuàng)造高性能光電子系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)
[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.

- END -
0 L6 Z! J, \2 E
+ \/ r9 w1 v& m0 R7 e& E軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
( o1 p4 h% X- H$ g, O' I點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)
, L! A/ T# P# B
歡迎轉(zhuǎn)載
4 H# P* ~. ?* V
/ O" {8 W, s3 Y, `轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！

3 w5 N! J& v* w! z9 L+ K3 c6 Q

; V9 h/ ~/ r9 A/ ?3 _7 |8 S$ H
0 _' b, W3 V: h$ T0 {% @
3 g3 N6 s. R5 j, d3 Y' P) i% H( ]關(guān)注我們

- J) h. a: P) X

                     

- p3 F3 N$ g. ~9 o$ l" E3 F

% g; l! s" `# h關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。

6 r" h" b. Y; u9 T+ bhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）