CN104090333A - 一种二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种二元闪耀光栅耦合器，所述耦合器采用SOI材料，包括硅衬底、限制层、波导层和光栅层，所述光栅层采用二元闪耀光栅，所述二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。所设计的二元闪耀光栅耦合器结构简单、制作方便、体积小，且与标准的CMOS工艺兼容，实现了高耦合效率、宽带宽的耦合输出功能。本发明通过将III-V族材料的光电探测器键合到SOI晶圆上，实现了采用光栅耦合的硅基混合集成光探测器，并将其应用到阵列波导光栅解调集成微系统中，有效解决阵列波导光栅解调集成微系统中SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的光耦合问题。

Description

一种二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用

技术领域

本发明涉及光波导的耦合结构，特别是一种二元闪耀光栅耦合器，属于光电子集成领域。

背景技术

随着社会的进步和生产力的发展，集成电路的尺寸将越来越小，信息传输速度将越来越高，但传统的微电子技术的发展已经接近其极限，使得其成为阻碍集成电路继续向前发展的一个瓶颈。因此必须开发新的器件、新的互联方式以及新的集成方式以满足高密度数据通信和高速率的数据处理过程。硅基光学器件作为打破这一瓶颈的最有希望的技术之一已经逐渐被人们所重视，它使得进一步压缩器件尺寸、提高集成度成为可能。硅基光学器件的研究基础就是硅基光子学，近些年国内外对硅基光子学的研究不断取得引人注目的重要突破。硅基光子学就是研究各类硅基低维材料的制备方法、结构特征、光发射、光传输、光调制与光接收特性，并以此为物理基础设计和制备各种硅基光学器件，从而最终实现全硅光电子集成的科学。

对于一个集成光路系统来说，耦合器就是系统与外界的接口。近年来平面光波导耦合技术越来越受到普遍关注，光栅耦合器作为一种面耦合器成为这方面研究的热点。光栅耦合器是利用光栅实现光波导的输入/输出耦合的器件，它可以在系统的任何地方实现信号的上载/下载大大增强了系统的灵活性。因此，它在通信、传感、光谱分析、光互连等方面均有广泛的应用。然而高效率、宽带宽、工艺制作简单的光栅耦合器还是目前的一个难题，对其进行研制是很有研究前景和实用意义的。本发明解决阵列波导光栅解调集成微系统中的SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的光耦合问题，设计出采用二元闪耀光栅耦合的硅基混合集成光探测器。本发明必将对光纤光栅传感解调领域的发展起到重要推动作用，同时对于未来光纤光栅解调系统的全硅光电集成芯片研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决阵列波导光栅解调集成微系统中的SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的光耦合问题，提供一种二元闪耀光栅耦合器，特别是提供一种应用于硅基混合集成光探测器间的高耦合效率、宽带宽、工艺制作简单的二元闪耀光栅耦合器结构。

本发明通过以下技术方案实现：

(1)计算TE模式下二元闪耀光栅耦合器的周期T；

(2)计算TE模式下二元闪耀光栅耦合器占空比f和其等效折射率；

(3)构建二元闪耀光栅耦合器结构模型，并对其刻蚀深度、光栅长度、耦合效率等参数进行设计优化，其中二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅；

(4)构建锥形波导结构模型，并对其长度，光传输效率等参数进行设计优化；

(5)选取最优二元闪耀光栅耦合器结构，并将III-V材料的光电探测器键合在其上方；

(6)采用二元闪耀光栅耦合器将SOI波导内传播的光垂直衍射至其上方的光电探测器阵列，光电探测器以InGaAs/InP为材料，在InP衬底上连续生长3层，依次为：n-InP缓冲层、i-InGaAs本征吸收层、p-InP盖层。

在上述步骤(1)中，根据光栅耦合布拉格条件，光栅耦合器的衍射理论对TE模式下二元闪耀光栅耦合器的周期T进行计算。

在上述步骤(2)中，根据亚波长光栅的等效介质膜理论对TE模式下二元闪耀光栅耦合器占空比f和其等效折射率进行计算。

在上述步骤(3)中，以时域有限差分算法为基础，建立二元闪耀光栅耦合器结构模型，对光栅耦合器的刻蚀深度、光栅长度、耦合效率等参数进行模拟仿真。当光源入射波长在1450nm-1600nm范围内，耦合效率均高于60％，在1550nm波长时，耦合效率达到了68％。

在上述步骤(4)中，基于光束传播法对锥形波导进行仿真、优化设计，以减少其传输损耗，实现光栅耦合器与阵列波导光栅解调集成微系统中阵列波导光栅的互连。在入射波长为1550nm时光的传输效率为85％。

在上述步骤(5)中，键合用的中间层材料采用的是苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)胶。

在上述步骤(6)中，建立InP基光电探测器模型，基于时域有限差分算法对整个硅基混合集成光探测器结构进行模拟仿真，在1450-1600nm波长范围内有源层吸收效率均高于75％。在波长为1550nm时有源层吸收效率为78.5％，并在波长为1475nm时有源层吸收效率达到最大值81.8％。

本发明提供了一种二元闪耀光栅耦合器的设计方法，该光栅耦合器利用二元闪耀光栅结构，可获得高的耦合效率，实现完全垂直耦合，而且宽度可调、等高度的二元闪耀光栅结构，比较于以往的普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅，其器件结构简单、制作方便、体积小，且与标准的CMOS工艺兼容，通过调制每个子周期的光栅宽度，实现入射光从波导中有效的输出。并且将此二元闪耀光栅耦合器应用于阵列波导光栅解调集成微系统中SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的耦合中，实现了高效率的硅基混合集成光探测器的设计。

附图说明

图1是硅基混合集成光探测器的截面示意图；

图2是闪耀光栅离散化过程(a)普通闪耀光栅(b)离散化阶梯闪耀光栅(c)二元闪耀光栅；

图3是二元闪耀光栅的剖面示意图；

图4是二元闪耀光栅耦合器基于时域有限差分法的仿真结构图；

图5(a)是二元闪耀光栅耦合器耦合效率与光栅刻蚀深度变化关系图，(b)是二元闪耀光栅耦合器耦合效率与光栅长度变化关系图，(c)是远场监视器下二元闪耀光栅耦合器的输出角度，(d)是波长1550nm时二元闪耀光栅耦合器的输出角度，(e)二元闪耀光栅耦合器耦合效率与波长变化关系图；

图6是二维闪耀光栅耦合器的结构示意图；

图7是锥形波导电场强度和平面光场分布图；

图8是采用二元闪耀光栅耦合器的硅基混合集成光探测器结构示意图；

图9是二元闪耀光栅耦合器在1550nm波长的光的输出耦合效率与限制层厚度之间的关系示意图；

图10是二元闪耀光栅耦合器在1550nm波长的光进入光探测器的吸收效率与BCB层厚度之间的关系示意图；

图11是硅基混合集成光探测器的吸收效率与波长变化关系图；

图12是阵列波导光栅解调集成微系统结构示意图。

具体实施方式

以下结合技术方案详细叙述本发明的最佳实施例。

本发明的目的是解决阵列波导光栅解调集成微系统中的SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的光耦合问题，提供一种二元闪耀光栅耦合器，其结构主要包括硅衬底、限制层、波导层和光栅层。来自光纤或半导体激光器的输入光从波导层输入，在光栅衍射的作用下光被耦合进光栅上方的光纤或光电探测器中。具体实施步骤为：

1.二元闪耀光栅耦合器结构的设计

闪耀光栅能够将衍射光闪耀到某一衍射级上，大大提高光栅的衍射效率。二元闪耀光栅是一种亚波长光栅，这种光栅的周期小于光波长，它不产生衍射波，只有零级后向反射光和零级透射光，通过改变光栅结构，可以调制透射波和反射波的相位和振幅。二元闪耀光栅结构是一种光栅宽度调制的等高度光栅，因此在器件的制备上比普通的锯齿状闪耀光栅或阶梯光栅容易，而且与传统的CMOS工艺兼容。

二元闪耀光栅耦合器截面结构如图1所示，包括上包层2、光栅层3、波导层4、限制层5以及硅衬底6，所述光栅采用二元闪耀光栅，可以是一维二元闪耀光栅或者二维二元闪耀光栅。输入光1可以是来自于光纤或者半导体激光器，由波导层4输入所述二元闪耀光栅耦合器，利用光栅的衍射特性将光耦合进二元闪耀光栅上方的光电探测器中。

二元闪耀光栅的原理是基于亚波长光栅的等效介质膜理论：亚波长光栅可以等效为一定厚度的均匀介质，其等效折射率是光栅占空比f的函数(如式1所示)。因此，通过调制光栅的占空比可以实现闪耀光栅的效果。

$n_{\mathrm{eff}}=\left\{\begin{array}{c}{n}_{\mathrm{TE}}^{\left(1\right)}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TE}}^{\left(1\right)}}=\sqrt{{\mathrm{fn}}_1^2+(1-f)n_2^2}\\ n_{\mathrm{TM}}^{\left(1\right)}=\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{TM}}^{\left(1\right)}}=\sqrt{f\frac{1}{n_1^2}+(1-f)\frac{1}{n_2^2}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

二元闪耀光栅的占空比f决定了每个周期内的等效折射率分布，由于每个子周期的大小远小于入射光波长，所以可以利用等效介质膜的一阶近似来计算各子周期的等效折射率。二元闪耀光栅的占空比分布可以由传统的闪耀光栅结构通过离散化推导得到，如2图所示，设闪耀光栅的折射率为n₂，周围介质折射率为n₁，，普通闪耀光栅的高度为H₁，离散的子周期数为M，离散阶梯闪耀光栅的各阶梯高度分别为h_i(i＝1，2，3，...，M)，二元闪耀光栅的高度为H，各子周期的占空比分别为f_i(i＝1，2，3，...，M)，则有

$h_i=\frac{1}{2}[\frac{H_1}{M}\·i+\frac{H_1}{M}(i-1)]=\frac{(2i-1)H_1}{2M}---\left(2\right)$

各个子周期的有效折射率可以表示为

$n_{\mathrm{eff}\left(i\right)}^{\mathrm{TE}}=\frac{h_i}{H}{n}_2+\frac{H-h_i}{H}{n}_1---\left(3\right)$

同时根据等效介质膜理论，TE模式下亚波长光栅的一阶等效折射率又可表示为

$n_{\mathrm{eff}\left(i\right)}^{\mathrm{TE}}=\sqrt{f_i{n}_2^2+\left({1-f}_i\right)n_1^2}---\left(4\right)$

将式(2)、(3)带入式(4)得到TE模式下各个周期占空比的表达式

$\begin{array}{cc}{f}_i=\frac{{[\frac{2i-1}{2M}\frac{H_1}{H}(n_2-n_1)+n_1]}^2{-n}_1^2}{n_2^2-n_1^2}& (i=\mathrm{1,2,3},...,M)\end{array}---\left(5\right)$

根据上式就可确定各个子周期的占空比分布，从而可以确定各个子周期内光栅的宽度w₁，w₂，w₃，......。二元闪耀光栅的剖面示意图如图3所示，所述二元闪耀光栅的光栅周期是T，满足光栅耦合的布拉格条件。每个周期内又分为若干个子周期，子周期为Λ，子周期的大小小于入射波波长。每个子周期的光栅宽度不一致，分别为w₁，w₂，w₃，......。通过调制每个子周期的光栅宽度来实现其等效折射率的调制，从而获得闪耀光栅的性能。

2.基于时域有限差分算法对耦合效率的优化

基于时域有限差分算法的二元闪耀光栅耦合器结构仿真图，如图4所示。在结构模型中顶部和底部边界采用完美匹配层(Prefectly Matched Layer，PML)边界条件。二元闪耀光栅耦合器耦合效率与光栅刻蚀深度变化关系，如图5(a)所示。当二元闪耀光栅刻蚀深度在50nm-160nm范围内变化时，耦合效率均大于50％，这就意味着该结构具有110nm的刻蚀高度制作容差。由于工艺条件的限制，所以我们采取的是标准工艺下刻蚀70nm。二元闪耀光栅耦合器耦合效率与光栅长度变化关系，如图5(b)所示，从图中可看出光栅长度为25μm时，耦合效率最高为68％。其中二元闪耀光栅耦合器的光场图为入射波长为1550nm时利用时域有限差分数值模拟方法获得的。由软件的远场监视器得到在波长为1450nm-1650nm时，二元闪耀光栅耦合器的输出角度为11.4°-20.5°，具有12.1°的输出角度容差如图5(c)所示。如图5(d)所示，在波长为1550nm时的输出角度为15.6°。如图5(e)所示，当入射波长在1550nm波长附近，TE模式的耦合效率达到了68％，在波长1450nm-1600nm范围内，耦合效率高于60％，并在波长为1478nm时，耦合效率达到了最高71.4％。在一维二元闪耀光栅耦合器的基础上，同样可得到一种工艺上简单，耦合效率高的二维闪耀光栅结构，如图6所示。它具有和一维二元闪耀光栅相同的耦合效果，甚至耦合效率更高，这是因为相邻的子周期的有效折射率差相对较小，具有较小的反射，同时减弱了模式间的不匹配。

3.锥形波导结构的设计

锥形波导用来实现二元闪耀光栅耦合器与阵列波导光栅解调集成微系统中阵列波导光栅的互连，其中锥形波导的输入直波导的宽度为阵列波导光栅的输出波导宽度。基于光束传播法对锥形波导的结构进行仿真、优化设计，以减少其传输损耗，实现二元闪耀光栅耦合器与系统中阵列波导光栅的互连。优化后的锥形波导输入直波导宽度为0.45μm，锥形波导长度为300μm，锥形波导输出宽度为光栅的宽度10.8μm。在入射波长为1550nm时光的传输效率为85％，如图7所示。

4.采用二元闪耀光栅耦合的硅基混合集成光探测器

硅基混合集成光探测器的结构如图8所示。在二元闪耀光栅耦合器的上部旋涂一层BCB胶，然后将InGaAs/InP光探测器键合在其上部，制作出采用二元闪耀光栅耦合的硅基混合集成光探测器。

限制层的厚度和BCB层的厚度会因光的干涉效应而影响光的衍射效率，进而影响光的输出耦合效率和光探测器的吸收效率。波长为1550nm时的光的输出耦合效率与限制层的厚度之间的关系，如图9所示。结果表明输出耦合效率随限制层厚度的变化从32％变化至64％，当限制层厚度为2μm、2.6μm、3.2μm、3.7μm、4.2μm、4.8μm等时，输出耦合效率达到最大。波长为1550nm时的光进入光探测器有源层的吸收效率与BCB层的厚度之间的关系，如图10所示。结果表明光探测器有源层吸收效率随BCB层厚度的变化从51％变化至78％，当BCB层厚度为0.44μm、0.9μm、1.4μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm等时，吸收效率达到最大。

在以上最优参数下二元闪耀光栅耦合器与光电探测器之间光的吸收效率与波长之间的关系，如图11所示。该二元闪耀光栅耦合器在波长为1450nm-1600nm波长范围内有源层吸收效率均高于75％。在波长为1550nm时有源层吸收效率为78.5％，并在波长为1475nm时有源层吸收效率达到最大值81.8％。

阵列波导光栅解调微集成微系统结构示意图如图12所示。系统包括片上光源1，2×2光波导耦合器2，光纤布拉格光栅阵列(FBG₁、FBG₂、...)3，1×N阵列波导光栅4，1×N二元闪耀光栅耦合器(一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅)5。

本发明所提供的二元闪耀光栅耦合器，结构简单、制作方便、体积小，且与标准的CMOS工艺兼容，实现了高耦合效率、宽带宽的耦合输出功能。并且将此二元闪耀光栅耦合器应用于阵列波导光栅解调集成微系统中SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的耦合中，实现了高效率的硅基混合集成光探测器的设计。

Claims (10)

1.一种二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于包括如下步骤：

(1)二元闪耀光栅耦合器采用SOI材料，包括：硅衬底、限制层、波导层和光栅层；

(2)二元闪耀光栅耦合器输入端与锥形波导连接，实现光栅耦合器与系统中阵列波导光栅的互连；

(3)二元闪耀光栅耦合器应用在硅基混合集成光探测器上，并将其应用到阵列波导光栅解调集成微系统中，有效解决阵列波导光栅解调集成微系统中SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的光耦合问题。

2.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，光栅层采用二元闪耀光栅，其中二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅。

3.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，光栅层全部位于波导层之中。

4.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，光栅层的每个光栅子周期内的光栅宽度不一致。

5.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，光栅层的每个光栅子周期的大小均小于入射光波长。

6.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，锥形波导为梯形，且锥形波导的窄端与阵列波导光栅的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，二元闪耀光栅耦合器应用在阵列波导光栅解调集成微系统中并与1×N的阵列波导光栅相连得到1×N的二元闪耀光栅耦合器阵列。该阵列波导光栅解调集成微系统包括片上光源，2×2光波导耦合器，光纤布拉格光栅阵列，1×N阵列波导光栅，1×N二元闪耀光栅耦合器阵列，1×N光电探测器阵列。

8.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，波导中的光通过所述二元闪耀光栅耦合器将光从波导中耦合进其上方的III-V材料的InGaAs/InP光电探测器中。

9.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，将III-V材料的InGaAs/InP光电探测器键合在二元闪耀光栅耦合器上。键合用的中间层材料采用的是苯并环丁烯胶。

10.根据权利要求1所述的二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用，其特征在于，光探测器以InP材料为衬底，在InP衬底上连续生长3层，依次为n-InP缓冲层、i-InGaAs本征吸收层、p-InP层。