垂直纳米光栅耦合器耦合效率分析与测试*

崔丹凤，薛晨阳* ，仝小刚，晋玉剑，宛克敬，张文栋，

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原 030051)

由于硅波导具有超高对比折射率［1］以及采用先进的微加工技术，基于绝缘体上硅(SOI)材料的纳米光波导在集成光学领域有广阔的应用前景，与传统的集成光波导相比更便于测试，并且大大减小了所占用的面积。同时，这种波导结构在传感领域也具有很好的应用前景［2］，它是实现纳米尺度受限空间内光互连、光耦合等能量传输并实现光与物质相互作用的耦合器。但波导层(几百纳米)与标准的单模光纤［3］(SMF，几十微米)存在着较大的模式不匹配［4］，基于这个问题，我们迫切的需要一种高效的光纤－硅波导耦合器，因此，通过在光纤与硅波导之间添加光栅耦合器的方法也越来越受到国内外学者的关注。

波导耦合光栅由周期为纳米尺度的光栅结构、波导层以及衬底组成。入射光从光纤射出通过光栅导入到波导中，在此光的传播过程中，影响光栅耦合效率的因素［5－6］有很多。本文在研究波导耦合纳米光栅理论［7］的基础上，系统研究了不同光栅参数以及光以不同角度入射对于光栅耦合效率的影响，这将对以后的研究奠定一定的理论和实验基础。

1 纳米光栅耦合器的设计

图1为波导耦合光栅结构［8］的示意图。在Si衬底上有一层1 μm厚的SiO2层，SiO2层上面的顶层Si即波导层的厚度为340 nm。在波导层上面为折射率匹配层［9］，一般选择空气(n=1)。占空比为1∶1的矩形光栅沿水平方向均匀分布。

图1 光栅耦合器结构示意图

衍射光栅是方孔连续线阵周期排列的器件，表现为透射部分和遮光部分周期分布。当平面波照射此衍射光栅时，光经透射部分出射的是衍射光，衍射光的衍射方向θm由光栅方程可写出:

式中:Λ为光栅周期;m为衍射级次;λ为入射光波长。由上式可知，衍射角θ由波长和光栅周期决定，改变Λ及λ就可以改变衍射方向，而改变狭峰宽度和形状，则可以改变透射光强。

波导光栅可以看作是去除光栅的波导基准结构及加上光栅后引起的折射率变化Δε之和。假设光栅是沿着波导面(y，z)扩散的周期性结构，Δε利用傅里叶变换可以表示成

两个光波a和b通过光栅耦合要满足布拉格条件:

式中:βa、βb为a、b光波的波矢。

m次衍射光的衍射角θm由下式的光栅方程确定:

式中:n1、n2是入射光与衍射光通过介质时的折射率。对相邻光栅的衍射，其光程差为波长的整数倍(2mπ)时，在传播方向上衍射光被增强。

由光栅的理论可以看出，耦合光栅在制备过程中需要考虑很多因素对光栅耦合器耦合效率的影响［10］。例如，光栅的刻蚀深度、周期、占空比［11］，增加底镜或者添加覆盖层［12］，垂直方向结构的对称性以及入射光的波长等都是重要的因素。本文对于光栅的刻蚀深度即波导的传输厚度进行了详细的描述。

如果光栅的刻蚀深度不够，只有很少的光才能耦合进光栅，再通过波导传输出去的光将会更少，这严重的影响其耦合效率。反之，如果刻蚀的过深，则会增加光的反射，同样会影响其效率的提高。为解决这一问题，我们在耦合光栅占空比为50%、周期为600 nm、入射光角度10°的条件下，对光栅的不同槽深进行了仿真。仿真结果如图2所示。从结果可以看出光栅刻蚀深度减小即波导层变厚会使得入射光的调谐范围向长波方向偏移。对于1 550 nm的波长来说在刻蚀深度为150 nm时，其耦合效率最高。

图2 光栅刻蚀深度对耦合效率的影响

垂直光栅耦合的耦合效率不仅与光栅参数有关，并且强烈依赖于入射光与光栅之间的角度。可调谐激光器通过单模光纤在光栅的上方入射时，光纤需要与光栅的垂直方向稍微有一定的倾斜角度。这种近似垂直耦合可以避免波导光栅的二级反射峰，有效地调整了模式匹配以及提高了耦合效率。同时，由于偏离垂直方向的角度相对较小，在近似计算中可以将其忽略不计。其仿真结果如图3所示。对于波长为1 550 nm的入射光，在光栅占空比为50%、周期600 nm、刻蚀深度150 nm不变的情况下，光纤偏离垂直方向大约10°时有较大的耦合效率。

图3 不同入射角度对耦合效率的影响

在得到最优光栅参数及入射角度的基础上，我们通过在硅波导及光栅表面均匀旋涂增透膜，理论上可以进一步有效的提高光的耦合效率，其中，增透膜的厚度由下式确定:

式中:e为增透膜厚度，λ为入射光波长n是增透膜的折射。为了有效的降低输入光场的端面反射及波导表面散射，增强输出光效率，我们选择的增透膜折射率为1.46，在入射光波长为1 550 nm时，光栅占空比为50%、周期600 nm、刻蚀深度150 nm、增透膜厚度0.5 μm不变的情况下，利用FDTD软件进行仿真，如图4所示。

图4 添加增透膜的仿真示意图

将添加了增透膜与不添加增透膜的仿真结过进行对比发现，增透膜可以有效的增强输出光强度，提高光的耦合效率。在添加了增透膜的情况下，其耦合效率最高可达76%。如图5所示。

图5 添加增透膜后对耦合效率的影响

2 纳米光栅的加工

我们采用了聚焦离子束FIB(Focused Ion Beam)刻蚀方法对10 μm宽的光波导进行光栅加工。聚焦离子束技术是在电场和磁场作用下，将离子束斑聚焦到亚微米/纳米级尺寸，通过偏转系统和加速系统控制离子源，实现微细束加工的新技术。与其他高能粒子束流相比，离子束具有较大的质量，能够以很高的能量和较短的波长直接把图案转移到较硬的基底材料上，可实现无掩膜加工。

由于微结构的尺寸受限于加工时间，较低的加工速度是FIB技术最大的缺点，但是对于光栅耦合器这种尺寸相对较小、耗时相对较少的结构来说这种方法仍然是可行的，较慢的刻蚀速率会对光栅各种参数有更精确的控制，而且它定位准确，分辨率很高(可以达到数个纳米量级)，能够以很高的精度实现复杂的微结构，这些优点使得FIB刻蚀方法在光栅加工方面仍占有其独特的优势。

制备过程中，我们使用的SOI材料其硅覆盖层的厚度为340 nm，最终制备出的光栅具有均匀占空比，刻蚀深度约160 nm，光栅周期为600 nm左右，较接近仿真中光栅的最优参数值。其SEM图如图6所示。

图6 纳米光栅结构示意图及光栅的SEM图

3 垂直光栅耦合器耦合效率的测试

目前，我们已经完成了对测试平台的搭建并验证了实际情况与仿真结果相符，如图7所示。利用NewFocus可调谐激光器作为输入光源，与掺饵光纤放大器连接，能够将激光器的输出功率放大一定的倍数，使其具有固定统一的输出功率。输入端通过直径为10.4μm的单模光纤与偏振控制器连接，用来研究激光不同偏振态对光栅耦合效率的影响。光输出至光栅耦合器，与硅波导光栅进行垂直耦合后经直波导传输到另一个相同的光栅耦合器将光输出。输出光信号经光电探测器后由示波器显示。

图7 测试平台

在此过程中，我们使用精密的三维调节架将输入和输出的单模光纤分别进行固定，使其能够灵活调动，以便于将入射光纤与垂直方向保持有10°左右的夹角。样品被固定在一个二维调节架上。在实验过程中，为了方便进行单模光纤与光栅的对准，我们同时用到了红外CCD和长焦距的视频显微镜。输出光纤与功率计相连，用来探测输出光强。通过功率计所得到的输出光功率就可以算出其光栅的耦合效率。

实验中，我们在硅波导及光栅表面均匀旋涂增透膜，其厚度约为500 nm。采用逐点测试的方法对该纳米光栅结构进行垂直耦合测试。影响该结构耦合效率的因素有很多，包括光端面反射、传输波导损耗、光栅基底泄露、反方向光的传输等。其中，由于光波导的非理想性和固有特性决定了光波导的损耗是不可避免的。本文在忽略了传输波导损耗的前提下，采用逐点调谐的方式，以步长为0.5 nm在1 520 nm到1 570 nm之间进行耦合效率的测试，在波长为1 550 nm处得到最大耦合效率为32%，并与未涂增透膜时的耦合效率进行比较。结果表明，添加增透膜可以有效的提高纳米垂直光栅的耦合效率，实验结果与仿真结果一致，如图8所示。其中1 dB带宽近似为30 nm，如图9所示。

图8 耦合效率的测试结果比较

图9 耦合效率的测试结果

4 结论

在制备波导耦合纳米光栅结构的过程中，对该结构耦合效率的影响因素进行了系统的理论研究和实验。目前，我们已经制备出了14 μm长、10 μm宽的光栅，结果表明通过光栅耦合器的添加使得光从光纤到纳米光波导的传输效率大大提高了。可调谐的光谱范围与光栅周期和光栅的刻蚀深度有着密切的关系，即光栅周期增大或波导层变厚都会使得入射光调谐范围向长波方向偏移，因此，可以通过设计光栅参数获得与实际应用相匹配的器件结构参数。同时，通过添加增透膜进一步有效提高了光的耦合效率，实验结果与理论模拟相符合。这对于光栅垂直耦合的进一步研究具有重要意义。

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