硅基光電子布拉格光柵器件的理論、設(shè)計和應(yīng)用

逍遙設(shè)計自動化

引言
硅基光電子已成為光電子集成芯片的重要技術(shù)，可實現(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)計原理和應(yīng)用。
) M- t; H. d! i4 l, ?: `" s' `
9 V$ o5 V$ j# i: z5 A& }布拉格光柵理論與設(shè)計
; [0 e* M! j+ n( [% J( Z布拉格光柵是波導(dǎo)有效折射率的周期性擾動。這些擾動沿波導(dǎo)長度產(chǎn)生波長選擇性反射。最大反射發(fā)生的布拉格波長λB由下式給出：
# O" W% h# Y. O7 S+ M: t  S' i
7 `2 n# P( R. N6 O0 G3 mλB = 2neffΛ
( y% M* n' E8 p
) t5 |3 `" T& b; E9 a& r7 ?  A: \其中neff是平均有效折射率，Λ是光柵周期。

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（衡量單位長度的反射強度）和光柵長度L。峰值功率反射率由下式給出：
7 v6 m3 A+ z" O6 Y
# `# D; ?7 G& x% q7 @Rpeak = tanh2（κL）

反射峰兩側(cè)第一個零點之間的帶寬為：
1 S5 d+ q/ P) c& o8 v, h. r
7 }5 x5 G8 P/ f' N% l# cΔλ = （λB2/πng）（κ2 + （π/L）2）1/2
7 d  r2 {' o+ Z' R& p% i) y; ]
0 n( l+ D! G$ W6 X其中ng是群折射率。
3 O& O9 F# i% h4 U. f
* N* b& r5 z* }! p+ c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和帶寬。
$ k$ v, L2 A. C4 v# x
; a, X% V8 |) q3 D3 S在硅基光電子中，布拉格光柵通常通過在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中引入周期性擾動來實現(xiàn)。常見的方法包括側(cè)壁波紋、包層調(diào)制和離子注入。本文重點介紹側(cè)壁波紋光柵，可以在條形和脊型波導(dǎo)上制造。

圖2展示了硅基光電子平臺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。
* r2 _& e7 |+ G1 v% l( Y( N; L3 j
, v3 P6 x/ n! Q" l. q側(cè)壁波紋光柵的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)包括：

波導(dǎo)高度（H）

平均波導(dǎo)寬度（W）

波紋寬度（ΔW）

波紋周期（Λ）
; Q1 @- q; H, l. ^4 V7 V# u
  }9 o6 b/ C& A/ H# U) Y這些參數(shù)影響光柵的中心波長和光學(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)。

實際設(shè)計考慮因素
在設(shè)計布拉格光柵用于實際應(yīng)用時，必須考慮幾個實際因素：
. {7 S* S% m1 i" d; L; V1 o  v1. 制造變異性：硅基光電子平臺對波導(dǎo)幾何形狀的制造變化很敏感。這可能會改變光柵的中心波長并引入相位噪聲。脊型波導(dǎo)光柵通常對制造缺陷更具耐受性。
1 h$ _, L; y& D8 e6 s; Q2. 光刻效應(yīng)：精細的光柵特征受光刻引起的平滑和鄰近效應(yīng)影響。這可能會降低光柵強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）。

圖3比較了（a）理想光柵設(shè)計與制造和計算預(yù)測形狀，并（b）顯示了對光柵帶寬的影響。
6 c+ \/ I" R. p! ^
3. 調(diào)制：沿光柵長度調(diào)整光柵強度剖面可以抑制光譜側(cè)瓣。常見的調(diào)制函數(shù)包括高斯、升余弦和sinc剖面。

圖4展示了調(diào)制對布拉格光柵器件反射光譜的影響。

布拉格光柵的應(yīng)用
1. 混合集成激光器
3 d2 I/ j8 Y+ a; l/ Y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。
- H; A' P# |' K
2 q" O. A( z9 _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。
2 X* A4 L5 G3 f( q
2. 生物傳感器
& h- M6 f0 D( Z1 Y8 T2 k布拉格光柵可用作芯片實驗室光學(xué)生物傳感器中的諧振器件。分析物與導(dǎo)波模式的倏逝場相互作用，改變有效折射率并移動光柵的諧振波長。相移布拉格光柵提供高品質(zhì)因數(shù)，實現(xiàn)更高的檢測限。
. j9 h  ^9 n. N5 a  I# R) u
圖6展示了（a）相移布拉格光柵生物傳感器，（b）對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。

! T: H$ a8 P6 W; g6 C+ D6 u, K4 O2 y3. 色散補償
啁啾布拉格光柵（光柵周期沿長度變化）可用于光鏈路的色散補償。不同波長從光柵的不同部分反射，提供波長依賴的時間延遲，以"重新壓縮"展寬的光脈沖。
& X5 p* k  R& ^  D9 R& N' P4 T* S
# X2 t9 o# p# V0 w$ |5 U! n圖7顯示了（a）長啁啾布拉格光柵的緊湊螺旋設(shè)計和（b）測量的反射譜和群延遲。

1 T5 O) ?3 S  i+ }7 w5 ^3 Z反向方向耦合器
反向方向耦合器（contra-DC）是基于布拉格光柵的器件，由兩個耦合的、非對稱周期性擾動波導(dǎo)組成。選擇性地將特定波長從一個波導(dǎo)的前向傳播模式耦合到另一個波導(dǎo)的后向傳播模式。
; y+ l" c. E! W; w& e$ z
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)計參數(shù)。
6 j( x: b  w8 `( G
$ w5 m2 x* x0 W反向方向耦合器特別適用于實現(xiàn)波分復(fù)用（WDM）系統(tǒng)中的加/降復(fù)用器。可以優(yōu)化設(shè)計以實現(xiàn)所需的濾波器特性，如帶寬、插入損耗和消光比。
5 d6 u0 U0 w* B4 Q  l' ]! R! c; h
4 B1 P& a8 W$ y0 H' z. U. c& Z圖9顯示了（a）制造的反向方向耦合器的SEM圖像和（b）測量的光譜響應(yīng)。

先進的反向方向耦合器設(shè)計
1. 級聯(lián)反向方向耦合器
: E* j! y/ f! w! A# B7 l多個反向方向耦合器可以級聯(lián)以增強濾波器性能。這種方法可以顯著提高消光比和帶外抑制。
: x/ d1 J0 U+ _( l. B8 C! i4 |6 F# p* p
圖10呈現(xiàn)了（a）級聯(lián)反向方向耦合器設(shè)計的示意圖和（b）測量的具有改進性能指標的光譜響應(yīng)。

4 G  N' N% s  t& w7 w6 ~0 P2. 多通道光學(xué)加/降復(fù)用器
級聯(lián)反向方向耦合器可以擴展為具有高通道隔離度的多通道光學(xué)加/降復(fù)用器（OADM）。

圖11顯示了基于級聯(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）測量響應(yīng)。

; [# h9 \& I9 N9 I& Y( g  f/ Y3. 寬帶光學(xué)加/降復(fù)用器
亞波長光柵（SWG）基波導(dǎo)可用于設(shè)計帶寬超過30 nm的反向方向耦合器。
5 D0 A- ]- q/ |# w$ Q1 _
圖12展示了（a）基于SWG的反向方向耦合器設(shè)計和（b）耦合區(qū)域的SEM圖像。

* W7 C0 ^8 Y! p1 Y
/ s3 a9 K- b5 s, X+ ~* p圖13呈現(xiàn)了（a）單個基于SWG的反向方向耦合器和（b）級聯(lián)設(shè)計的測量響應(yīng)，展示了寬帶寬和高帶外抑制。

1 G+ T7 z: A' a* q0 M" ^
結(jié)論
2 y! K9 T3 i* Y+ w1 R- r1 x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的波長濾波器件，使這些組件能夠?qū)崿F(xiàn)廣泛的應(yīng)用。通過理解基本理論和實際設(shè)計考慮因素，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
[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.

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