硅基光電子布拉格光柵器件的理論、設計和應用

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引言
' S! G/ r( S. D硅基光電子已成為光電子集成芯片的重要技術，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信之外的各種應用。在硅基光電子集成線路中，基于集成波導布拉格光柵的波長選擇性器件是一類關鍵組件。本文概述了硅基光電子布拉格光柵器件的理論、設計原理和應用。
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* y! E+ N' T2 r: g" e7 B8 [, T布拉格光柵理論與設計
( d- c% L+ B# P6 y' \/ z! ?2 w布拉格光柵是波導有效折射率的周期性擾動。這些擾動沿波導長度產生波長選擇性反射。最大反射發(fā)生的布拉格波長λB由下式給出：

λB = 2neffΛ

其中neff是平均有效折射率，Λ是光柵周期。
1 Q; N+ Y( b& L: N  p: ?
" N' ?  ]* i4 c9 D$ E8 y! S& O均勻布拉格光柵的反射系數(shù)可以用耦合模式理論推導。決定光柵響應的關鍵參數(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：

Rpeak = tanh2（κL）

, C4 [6 F  w# C* n反射峰兩側第一個零點之間的帶寬為：
0 ?) A. J: n/ O/ {; u: ^
Δλ = （λB2/πng）（κ2 + （π/L）2）1/2

其中ng是群折射率。

* c2 W3 H3 w6 ?$ I% n  i, w0 A圖1顯示了布拉格光柵的典型傳輸和反射響應，突出顯示了布拉格波長和帶寬。
% a# N" s5 ~8 t+ C
在硅基光電子中，布拉格光柵通常通過在波導結構中引入周期性擾動來實現(xiàn)。常見的方法包括側壁波紋、包層調制和離子注入。本文重點介紹側壁波紋光柵，可以在條形和脊型波導上制造。
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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）不同的光柵結構和（b）條形和脊型波導上的側壁波紋光柵。
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1 Z. \3 T( P9 w1 r& F側壁波紋光柵的關鍵設計參數(shù)包括：
( d7 ]; ~" d3 Y( |1 l2 P$ _

波導高度（H）

平均波導寬度（W）

波紋寬度（ΔW）

波紋周期（Λ）
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1 x: d6 ?8 _& w; b- o. s這些參數(shù)影響光柵的中心波長和光學帶寬。條形波導光柵允許單次蝕刻制造，而脊型波導光柵可以更精確地控制耦合系數(shù)。

實際設計考慮因素
在設計布拉格光柵用于實際應用時，必須考慮幾個實際因素：
7 O- `3 z! c& B, I1. 制造變異性：硅基光電子平臺對波導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。脊型波導光柵通常對制造缺陷更具耐受性。
8 U5 V9 x  M6 Q& A5 u% l2. 光刻效應：精細的光柵特征受光刻引起的平滑和鄰近效應影響。這可能會降低光柵強度并改變其光譜響應。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）。
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' [) Z! ]# s; I: W9 u) G圖3比較了（a）理想光柵設計與制造和計算預測形狀，并（b）顯示了對光柵帶寬的影響。

3. 調制：沿光柵長度調整光柵強度剖面可以抑制光譜側瓣。常見的調制函數(shù)包括高斯、升余弦和sinc剖面。
8 R: ^  D. N) y/ g1 [3 M
" L4 `' e# x/ u9 r& X9 m- U圖4展示了調制對布拉格光柵器件反射光譜的影響。

: b8 P, }# a9 ?. a6 u布拉格光柵的應用
3 ?6 M& k; D9 l# Z1. 混合集成激光器
布拉格光柵在混合集成激光器中起著關鍵作用，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。
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( F* l  O8 r( ?圖5顯示了（a）混合集成DBR激光器的結構和（b）可調諧激射波長。
2 I+ x: D0 u* @+ J  n& ^7 w" b
2. 生物傳感器
* q$ y1 E, a( K# L布拉格光柵可用作芯片實驗室光學生物傳感器中的諧振器件。分析物與導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因數(shù)，實現(xiàn)更高的檢測限。

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，和（c）用于提高靈敏度的多盒設計。

3. 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。
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圖7顯示了（a）長啁啾布拉格光柵的緊湊螺旋設計和（b）測量的反射譜和群延遲。

& O" w& A" j' a- @" m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組成。選擇性地將特定波長從一個波導的前向傳播模式耦合到另一個波導的后向傳播模式。
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圖8展示了（a）反向方向耦合器的工作原理和（b）關鍵設計參數(shù)。

. ~; v6 b: i% |反向方向耦合器特別適用于實現(xiàn)波分復用（WDM）系統(tǒng)中的加/降復用器。可以優(yōu)化設計以實現(xiàn)所需的濾波器特性，如帶寬、插入損耗和消光比。

. ~8 g; o; ~6 V' F6 a" y1 \9 j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。

, l$ |) ~. p6 E先進的反向方向耦合器設計
1. 級聯(lián)反向方向耦合器
5 C2 B4 s* Q0 p: \  L. y3 e: x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。
2 K- T" |2 k  B9 N. n+ F! h2 z& y
圖10呈現(xiàn)了（a）級聯(lián)反向方向耦合器設計的示意圖和（b）測量的具有改進性能指標的光譜響應。
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. Y: F, i0 W, C* l9 K; l! l2. 多通道光學加/降復用器
. l7 \8 R8 g, T# s" e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加/降復用器（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。
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2 W& W, a' v- q3 Y. A: d3. 寬帶光學加/降復用器
亞波長光柵（SWG）基波導可用于設計帶寬超過30 nm的反向方向耦合器。

) X0 i+ w! k9 y- u  f4 A4 c圖12展示了（a）基于SWG的反向方向耦合器設計和（b）耦合區(qū)域的SEM圖像。

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$ `6 }0 ^+ ^# j' p4 B+ F( y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)設計的測量響應，展示了寬帶寬和高帶外抑制。
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結論
$ X8 r! H" X, Z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，使這些組件能夠實現(xiàn)廣泛的應用。通過理解基本理論和實際設計考慮因素，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)。
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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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