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硅基光電子布拉格光柵器件的理論、設(shè)計(jì)和應(yīng)用

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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。4 a9 H# S% [$ K% J! w9 e& L& e
: J- s' H7 M& T
布拉格光柵理論與設(shè)計(jì)! L7 |/ |2 B" L$ x4 a
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% H. A. ~# T) \' d
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:# O6 f) j  ], p+ ^
3 s! V: N+ u# O3 c
Rpeak = tanh2(κL)' Y6 f# A% w0 R& N) R5 D% U7 [

: 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:1 ~* G# e6 Q9 ]# [

% 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! {$ E4 K$ P- |3 B# M! O
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 7 h: v4 H/ Z  B2 h1 f+ D9 ^
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。3 y7 Y) i8 L' c
% h- z$ [% i6 h8 [6 Y
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)。& A7 c3 E' V* U  h( J6 Z

    5 J! @3 h1 ?; Z實(shí)際設(shè)計(jì)考慮因素" x: N4 d/ }0 N  E- ?8 ]
    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。0 L4 W3 ]* w/ c9 l/ I% e
    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)。& e: I- `0 D" k5 R+ y, c- z

    . 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。& V* @, M2 ~. I) g4 Y- D

    + 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。$ Z! e5 \2 i, M) `0 z

    # ^; 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 + ?$ r- e: r0 {+ e( D: X: K# F! h
    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。' T1 y7 }0 S9 x
    : ~- O, ]: `/ ^  t% D
    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)。' x* @) {9 ?- A6 w* i1 `
    6 k+ F$ m! x$ c  e8 G! _2 P1 ^
    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 3 ^! _& g' h4 W! B  M% S# h9 g' Y
    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, k) i: T, `3 x
    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)。$ B- G6 U7 a) j( `' j
    2 U( s8 n( ^3 B. y: b
    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。+ e0 H% @  a7 C* w; n5 Z: ~$ V
    - H1 w* [. i6 C7 L
    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)。7 d- \$ I2 ^. K/ C2 z8 H# v( d
    + C9 B& K; u- z
    先進(jìn)的反向方向耦合器設(shè)計(jì): ^( b) d' f$ e
    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 9 x; {9 g+ T; A; N! J
    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2 |7 G0 j$ Q" R* l
    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。/ c9 {! Q% d4 u4 X

    ( 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。' y7 z- }' q+ s  ^6 p6 T) T
    & m1 t% |% X+ V% K+ [* |
      V" @4 ?3 B& R
    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。! i: s# ]+ i8 L9 m7 F' N

    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)。+ s$ q7 ?: K2 a3 R
    ) e; c/ a2 K: h" ?; s9 Q0 G, X- H
    參考文獻(xiàn)% _* w# l4 A1 P' `7 q+ x4 C# v
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    8 I7 Y5 y* [9 U7 P" M0 I6 c) {8 K4 R
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