用于波分復用的雙層氮化硅垂直光柵耦合器的仿真分析

吉 喆, 李 東, 付士儒

(石家莊鐵道大學 機械工程學院,河北 石家莊 050043)

0 引言

絕緣體上硅(SOI)是一種具有3層結構的硅基半導體材料[1]。SOI技術具有諸多優點,其加工工藝與COMS工藝兼容[2]。在SOI結構上刻蝕光柵可實現光纖光柵耦合,但是光纖外徑與光柵的寬度量級單位不同,二者之間對準難度較大[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,對于這種光纖與波導完全垂直的設計方案,在垂直耦合的過程中,有很大一部分光功率會從SOI結構的Si基底中泄漏,而且會伴隨光能量的背反射問題,嚴重影響了耦合效率的提升。傳統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]設計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%)。其加工時有一定難度,耦合效率有待提高。金鑫[10]設計的基于亞波長光柵的光柵耦合器,使用FDTD仿真計算了該非均勻光柵與標準單模光纖的耦合效率,仿真結果為TM模式1 550 nm波長的耦合效率為-2.99 dB(50.2%),實驗測得的TM模亞波長光柵的耦合效率達到-6.1 dB(24.5%)。HUANG et al[11]設計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,當入射角為10°時其耦合效率為57%,這種漸變刻蝕深度的光柵結構制作起來較為繁瑣,且耦合效率比較低。

設計一種可應用于波分復用技術的垂直光柵耦合器,其中在Si波導上下刻蝕對稱光柵,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,為了減少背反射對耦合效率的影響,在光柵區域上方引入雙層Si3N4結構,優化了雙層Si3N4的寬度和高度等結構參數,對比分析了不同材料的金屬反射鏡與雙層Si3N4結構之間的匹配關系。結果表明,當使用Al反射鏡和雙層Si3N4結構時可以獲得更高的垂直耦合效率。設計的垂直光柵耦合器為垂直耦合的應用和波分復用技術提供了新的思路。

1 仿真模型及原理

垂直光柵耦合器采用SOI結構,結構示意圖如圖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波導和SiO2覆蓋層,以及光柵上方區域的雙層Si3N4結構。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]。在仿真區域內,邊界條件設置為完美匹配層(PML)可以有效吸收光能量,防止反射對仿真結果造成影響[13-14]。

圖1 垂直光柵耦合器結構示意圖

根據布拉格條件可以得到所設計光柵結構的光柵周期[15],其近似計算表達式為

(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+號對應透射衍射-1級,取-號對應透射衍射+1級。由式(1)可知

(2)

可以實現入射角為0°的光纖與光柵垂直耦合[16]。

在光柵的上方以及左右波導中加入功率監視器,設輸入的光功率P歸一化為1[17],左右波導中獲得的光功率為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值如表1所示。

表1 垂直光柵耦合器初始參數值

圖2 光功率歸一化曲線圖

所設計的垂直光柵耦合器按照表1的參數設定。當波長為1 550 nm的TE模式偏振光在光柵上方區域激發垂直入射進行耦合時,根據式(3)可以計算出光柵耦合效率、襯底泄漏光功率、背反射光功率與波長之間的對應關系,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,一部分光能量會通過光柵的耦合作用耦合到左右波導中,設計的光柵結構可獲得48%的耦合效率;一部分光能量會繼續向下進入到基底中,從襯底中泄漏的光功率為26%;同時有一部分光能量在入射到光柵上后會向上反射。

2 垂直光柵耦合器分析及結構優化

2.1 Si3N4層設計及優化

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反射鏡厚度設置為60 nm[19-20]。此外,為減少背反射光功率,在光柵區域上方加入Si3N4層,進而提升耦合效率。詳細討論了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中的光產生相干干涉,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

Δφ=2kπ

(5)

k為整數時,2列光會產生穩定的相干干涉[21],從而提高光柵耦合效率。

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

圖3 Si3N4層的結構參數與光柵耦合效率的關系

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Si3N4厚度為288 nm時耦合效率達到最大,光柵的耦合效率超過了82%。因此設置Si3N4厚度為288 nm,對Si3N4高度進行優化,結果如圖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Si3N4高度為470 nm時耦合效率達到最大,光柵的耦合效率約為84%。即當厚度為288 nm、高度為470 nm時耦合效率達到峰值。優化的目標是在波長為1 550 nm的TE模式偏振光入射時獲得最高的光柵耦合效率。

在優化的過程中,發現仍有部分背反射的光能量,為此在光柵區域上方加入了雙層Si3N4結構,結果表明其可以有效降低背反射從而提高光柵耦合效率。按照前文思路對雙層Si3N4的參數進行優化設計,分析結果得知,當D1=288 nm、D2=188 nm、H1=470 nm、H2=207 nm時,可獲得峰值耦合效率。對比分析單層Si3N4結構和雙層Si3N4結構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結構最大可以獲得耦合效率為83.7%,雙層Si3N4結構最大可以獲得耦合效率為92.9%,相比于單層Si3N4結構得到的耦合效率提升了接近10%。對比發現,雙層Si3N4結構更有利于獲得更高的耦合效率。

圖5 Si3N4寬度對光柵耦合效率的影響

考慮到雙層Si3N4的寬度可能對耦合效率產生影響,按照上述最優參數設定,分析了Si3N4寬度和光柵耦合效率之間的關系,得到的曲線圖如圖5所示。

由圖5可知,當Si3N4的寬度在1～3 μm變化時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,耦合效率基本不會變化,主要原因是光纖芯徑為9 μm對入射光起到了限制作用[21],此時最大耦合效率為94.2%?？紤]到實際的加工工藝實施難度,采用生長形成全覆蓋的雙層氮化硅薄膜。

2.2 不同金屬反射鏡對耦合效率的影響

當金屬反射鏡采用不同材料時,將會影響耦合效率。研究了無Si3N4和雙層Si3N42種結構在使用Al和Au 2種反射鏡時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結構時的耦合效率的對比

由圖6可知,當垂直光柵結構中不使用雙層Si3N4結構時,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%。相應的,在使用雙層Si3N4結構后,配合2種材料的反射鏡的耦合效率分別為94.2%、92.5%。

圖7 優化后光功率歸一化曲線圖

對比有無雙層Si3N4結構時,使用Al、Au反射鏡時的耦合效率,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結構對耦合效率的提升很可觀,雙層Si3N4結構匹配Al反射鏡使用可以得到較高的耦合效率。優化后的光功率歸一化曲線圖如圖7所示。

如圖7所示,優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,但同時會造成嚴重的背反射損耗[22-23]。在光柵上方區域加入雙層Si3N4結構配合金屬Al反射鏡使用,背反射光功率明顯降低。

結果表明,對于波長為1 550 nm的TE模式偏振光,當光柵周期為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,以及在光柵上方區域加入了雙層Si3N4結構,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反射鏡圖形結構;④CVD(化學氣相沉積)生長厚度為2.11 μm的SiO2薄膜;⑤光刻光柵結構圖形,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薄膜是具有光柵結構起伏的,采用CMP(研磨拋光)進行平坦化;⑧光刻光柵結構圖形,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 對準容差分析圖

該器件在加工制備過程中,由于其最小特征尺寸為 nm級別,對其加工精準度有著很高的要求。對加工過程中耦合器與入射光斑的相對位置進行了誤差容限分析,結果如圖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位置,在-2～2 μm的范圍內,均可以獲得超過90%的耦合效率,該器件設計表現出良好的對準誤差容限特性。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 結論

設計了一種可用于波分復用的雙層Si3N4垂直光柵耦合器結構,并對結構進行了設計和優化。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個方面對垂直光柵耦合器結構進行優化,提高耦合效率。重點研究了雙層Si3N4的結構參數對耦合效率的影響,對其5個參數進行了逐一優化,獲得峰值耦合效率時雙層Si3N4的結構參數。結果表明,優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構的垂直光柵耦合器提高了約46%的耦合效率。該設計克服了傳統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,適用于波分復用應用的光接口和低成本的硅光器件光纖封裝。