硅基波导光栅耦合器件的测试与分析

杨俊波，周 唯，张华良，吴闻军，黄 杰，陈丁博，张晶晶，韩云鑫

(国防科学技术大学，湖南 长沙 410073)

硅基波导光栅耦合器件的测试与分析

杨俊波，周 唯，张华良，吴闻军，黄 杰，陈丁博，张晶晶，韩云鑫

(国防科学技术大学，湖南 长沙 410073)

本文利用光纤-波导测试系统对微纳光子器件-亚波长光栅耦合器和波导进行测试；该测试系统具有50nm的调节精度，x、y和z三方向六轴自由度，并且能够控制信号光的入射角度；该系统包括：可调谐激光器、偏振控制器、拉锥光纤、微动调整平台、显微系统、红外相机和光功率计等；通过手动微调和精确对位，能够对微纳器件的耦合效率和插入损耗等性能进行测试；硅基波导光栅耦合器件的测试与分析对微纳光电子器件的设计具有一定的指导意义，能够广泛应用于光通信和光信息处理领域。

光纤-波导测试系统；光波导；SOI；串扰；插入损耗

微纳光电子器件广泛应用于光通信和光信息处理领域[1-5]，通过周期性的结构设计，改变或影响材料和结构的有效折射率、介电常数等，能够实现对电磁场和光信号的调制和控制，从而具有一些非常特殊的功能，包括：光束偏折、衍射控制、反常色散、负折射、光束延迟、慢光效应等[6-12]。因此，在光通信、高性能计算、航空航天、军事、传感、医药检测和环境监控等方面具有重要的应用[13-20]。

微纳光电子器件的检测和分析对于器件的设计和优化具有重要的作用，如何能够对器件的设计参数和性能进行检测也是一项非常具有挑战性的工作。本文利用光纤-波导测试系统对亚波长光栅耦合器和波导器件进行测试与分析，对测试流程和分析方法进行详细的讨论和研究，并总结出通用的测试方法和标准。该工作对于微纳光电子器件的设计、制作和测试分析具有重要的指导意义和帮助。

1 测试平台简介

光纤-波导测试系统如图1所示，该实验平台分为以下几部分：

(1) AQ2201型可调式激光光源，其光源波长调节范围为：1 440～1 640 nm。

(2) TXP5004型偏振控制器(即起偏器)，可对激光光源的偏振态进行控制，具体调节过程需通过外接电脑的TXP_EXPLORER软件完成。

(3) 垂直观测CCD调节系统，该系统可以在上下、左右、里外和x-z平面内的倾角四个维度上进行调节，该CCD镜头具有0～4.5倍的放大倍数，可自由调节，并且在其末端有一LED照明光源。

(4)水平光纤夹调节系统，该系统由图1 中所示的4′、4″、4‴组成，其分别为三维调节平台、机步电机和控制器。该系统所夹光纤为拉锥光纤。该系统可以在上下、左右和里外三个维度上进行调节。其调节过程由步进电机控制，其最小调节步长为50 nm。

(5) 载物台，用于放置SOI基片。

(6) 垂直光纤夹调节系统，该系统可以在上下、左右、里外和xz平面内的倾角四个维度上进行调节，其最小的角度调节刻度为0.1°，其余三个维度的最小调节步长为10 μm。

(7) 水平观测CCD，该CCD也可以在上下、左右、里外三个维度上进行调节，用于观测波导通光情况，该CCD镜头与垂直放置的CCD镜头型号相同。

(8) PM100D型红外探测器(即光功率计)，该功率计的信号来源于右端的水平放置拉锥光纤。

(9) AQ6317型光谱分析仪，该分析仪的信号同样来源于右端的水平放置拉锥光纤，用于测试耦合器的耦合效率随波长的变化情况。

(10) 信号转换器，用于切换显示器上的输入信号，其包括四个切换端口，但实验中只用到两个端口。

(11) CCD观测图像显示器，该显示器与信号转换器相连，用于显示水平放置和垂直放置的两个CCD所观测到的图像，通过信号转换器实现显示图像的切换。

(12) 计算机，该计算机用于控制起偏器的偏振态调节和显示光谱分析仪的测试结果。

图1 实验测试平台

2 测试操作过程

利用上述平台对硅基波导光栅耦合器件性能参数进行测试的过程大致分为四个阶段：器件形貌观测、仪器及光纤测试、调节光源偏振态、直波导通光测试及估测损耗和耦合器件性能参数测试。

在介绍各个阶段的具体操作过程之前，首先需要说明的是我们制作硅基波导光栅耦合器件时，并不只是在SOI基片上制作出光栅耦合器或分束器，还会在其基础上制作两至三根直波导，用于估测直波导损耗，而且耦合器或分束器我们也会制作两至三个以作对比。具体的制作版图及实际制作效果如图2和图3所示。

(1) 器件形貌观测

主要是利用扫描电子显微镜观测SOI基片上耦合器件及直波导的制作效果，将通过观测获得的数据与设计参数相对比，以了解该器件是否能达到测试要求，并可以通过观测选出实际参数与设计参数最接近的耦合器件。

A为全刻蚀二元闪耀光栅耦合器；B为对称式全刻蚀啁啾型亚波长二元闪耀光栅分束器；C为直波导及交叉波导；D为两端带有光栅耦合器的直波导及交叉波导图2 SOI片制作版图

图3 (a)分束器；(b)耦合器；(c)无光栅波导；(d)有光栅波导结构(右端)

(2) 仪器及光纤通光测试

主要包括仪器参数的设定和测量横向拉锥光纤通光情况。仪器参数设定主要是针对激光光源和起偏器。其中激光光源的参数为：输入中心波长1 550 nm，输入功率9.3 dBm，起偏器的参数通过计算机设置。光纤通光测试目的是确定左右两端水平放置的拉锥光纤的光纤头是否完好，是否可以实现很好的通光，并可以通过通光测试估算出光纤头处的功率损耗。通光测试的具体操作步骤如下：

①设置好可调节激光器参数，将左端拉锥光纤直接接入光源，将右端拉锥光纤输出端接于功率计。将左右两端的拉锥光纤分别放置在水平光纤夹上，并通过光纤夹调节器将左右两端的拉锥光纤头均大致调节到载物台上方。

②将垂直CCD调节至垂直状态，并通过进一步调节上下左右，使两个拉锥光纤头能大致清晰的呈现在CCD视场中，并呈现在显示器上。

③利用水平光纤夹的控制器精调光纤位置，使两个光纤头尽量接近，但避免两光纤头相撞。在调节位置的同时观测功率计上的示数，功率计示数一般达到0 dBm以下则表明光纤头基本对准，功率计上示数越小越好，在测试过程中，最小示数可达到-10 dBm左右。

④将左右两端光纤夹及垂直CCD归位，以便后续测量。

(3) 调节光源偏振态

①打开偏振光控制器和其附带软件TXP_EXPLORER，界面如图4所示；

图4 TXP_EXPLORER操作界面

②输入光信号到偏振控制器，并将输出光接入到拉锥光纤；

③将分光镜放置于载物台上，拉锥光纤垂直分光镜的一个面入射；

④光经过分光镜以后会产生o光和e光，其中一束光直线输出，通过水平放置CCD探测，并显示在显示屏上；

⑤当调节偏振控制软件页面的经度和纬度时，偏振球上显示的偏振点会移动，说明偏振在改变，偏振球下面图形是偏振状态图，如图4偏振状态图显示的是椭圆偏振状态一样；

⑥如果发现偏振球上的点在晃动，一直不稳定，说明偏振控制器输出光不稳定，并不是需要的偏振光，这是需要按照偏振控制器使用说明来进行校准；

⑦稳定输出偏振光以后，调节偏振球上点的经度和纬度，从而改变偏振态，拉锥光纤输出端的偏振态同样发生改变，因此经过分光镜的o光和e光分量就不一样，所以最后水平CCD上看到的光斑大小就会发生改变。调节经度和纬度，使得光斑完全消失，这时说明分光镜输入的光全是TM光，也就是说拉锥光纤末端输出的是TM光。

⑧确定TM光以后，通过点击正交按钮，如图4所示，使得输出光强最大，也就是说，这时拉锥光纤的末端输出的是TE光，因此最终确定输入到波导中的光是TE偏振光。

⑨偏振控制状态确定以后，从载物台上拿下分光镜，这时不可改变偏振球的经度和纬度。在此基础上，进行下一步实验。

(4) 直波导通光测试

该阶段通过对直波导通光效果的测量以估测波导损耗，同时也可以通过观测通光好坏反映SOI基片的制作效果。其具体操作步骤如下：

①将清洗干净的SOI基片放置于载物台正中间。打开垂直CCD上的LED灯，用以照亮SOI基片，便于观测。调节CCD使其成垂直状态，再调节上下左右，使在显示器上能清晰的显示SOI基片的形貌。根据显示器上显示的图像微调SOI基片位置，使其呈水平放置。然后再调节CCD，使SOI基片上一根直波导处于显示器中心位置。

②利用控制器调节左端拉锥光纤夹，使光纤头与直波导基本处于一条直线上，尽量使光纤头所处平面比直波导顶面高出一些。降下右端光纤夹，保证其不挡住右端水平CCD。打开右端水平放置CCD，同时关闭垂直CCD上的LED灯。利用信号转换器将信号由垂直CCD输出信号转换为水平CCD输出信号，此时可在显示器上观察到一个圆形光斑，此光斑为拉锥光纤出射的光。调节右端CCD镜头，使光斑最清晰明亮。然后利用控制器调节左端光纤夹，使其慢慢下降。当光纤头所处平面下降至SOI顶面所处的平面以下时，圆形光斑下半部会慢慢消失，因为此时拉锥光纤的出射光被SOI基片的顶硅层挡住。如果拉锥光纤头与直波导左端已经对准的话，则光纤夹继续下降时，在半圆形光斑正下方会出现一个小亮点，该亮点即为由直波导中透射出的光。光纤夹继续下降时小亮点会消失，因为此时光纤头被衬底层所挡住。但如果拉锥光纤头与直波导没有对准，则需要在大圆斑剩下一半时，左右微调光纤夹，并适当调整水平CCD镜头焦距，直至在半个大圆形光斑正下方出现小亮点。当小亮点出现后，在三个维度上微调光纤夹，使小亮点最亮，此时直波导通光。

③通光后将信号转换器的信号切换至垂直CCD的输出信号，同时打开LED灯。利用控制器调节右端拉锥光纤位置，使其光纤头对准直波导右端端口，在调节过程中通过显示器确定光纤头位置，在移动过程中避免光纤头与基片相撞。当调节至右端光纤与直波导在同一条直线且光纤头与直波导端口非常接近时，上下调节光纤头位置，同时观察功率计示数。如果之前的操作已使波导通光，则功率计示数在上下调节光纤头位置的过程中会有明显变化。如果示数变化不明显，则可能波导没有通光，需要重新进行之前的通光操作。如果功率计上的功率示数明显上涨。则需要在现有位置基础上适当微调光纤头左右，必要时也可适当微调左端光纤头位置，使功率计的示数最大。一般功率计示数在-30dBm左右时，波导通光正常。我们在实验过程中测得的最好结果为-11dBm左右。测试直波导通光的目的就是利用该功率值可估算出直波导上损耗，从而可以估算出耦合器或分束器上直波导部分所产生的损耗。

(5) 耦合器件性能参数测试

该阶段为测量光栅耦合器或分束器的耦合效率或消光比，该测试是在直波导通光测试基础上进行的。

具体操作如下：

①保持直波导通光测试过程中右端拉锥光纤位置不动，将左端拉锥光纤移开。移开左端后，将右端拉锥光纤稍稍向右微调，使其光纤头离SOI基片侧面有一定距离，但要保持该光纤的高度不变。利用控制器调整里外，移动右端光纤头至欲测量的耦合器右端端口处，使光纤头与该端口对准，但依旧保持光纤高度不变。在此过程中一直保持高度不变，是由于SOI基片上的直波导厚度与耦合器输出端的直波导厚度相同，所以在同样的高度就能接收到耦合器输出端的输出光。

②将垂直CCD调整至倾斜一定角度(大致20°左右)，通过调节上下左右，并适当调节CCD镜头焦距，使在CCD视场内再次找到SOI基片，并将SOI基片上欲测量的耦合器光栅部分显示在显示器中心位置。将左端的拉锥光纤换至垂直光纤系统上，作为垂直入射光源。保持垂直光纤夹处于完全垂直状态，通过调节使拉锥光纤头接近耦合器的光栅部分，光纤头的位置可以通过显示器观测到。如果垂直拉锥光纤和右端水平光纤均已经对准，则功率计上的示数会有明显变化，此时可以微调这两个拉锥光纤的位置，使功率计示数最大。在调节右端拉锥光纤时需要将垂直CCD系统向右移动，以确保可以观察到右端拉锥光纤的光纤头位置，避免光纤头撞到SOI基片。由于垂直拉锥光纤的光纤头面积较光栅区域面积大得多，所以只要保证垂直光纤头基本对准即可有光进入耦合器，因此如果功率计示数无明显变化，则可能是由于右端拉锥光纤没有对准，此时需要微调右端拉锥光纤的里外，直到功率计有示数为止，再进行微调使示数最大。利用该功率值，并通过相应计算可获得耦合器的耦合效率。

③通过调节垂直光纤的倾角和高度可测量入射光角度和高度对耦合效率的影响。也可通过测量不同规格的耦合器来测量SiO2层厚度、刻蚀深度、制作误差参数对耦合效率的影响。将右端拉锥光纤的输出端改接至光谱分析仪器，进行扫谱操作，即绘制输出功率随输入光波长变化的关系图。

3 实验结果分析

从光纤端面出射的激光信号斑尺寸与光栅耦合器的尺寸不同，X和Y方向上的对位误差也会减少光栅平面的受光面积；本文采用的单模光纤(SMF)输出光的模班尺寸大约是10 μm左右，光场能量呈典型的高斯分布，因此加剧了光纤模场分布与光栅模场的失配，降低了光栅面对信号光的耦合；另外，实验中光纤和光栅面间没有采用相关的折射率匹配液，因此在光栅面上存在明显的菲涅耳反射，这样进一步降低了光栅的耦合能量。通过调整光纤端面与光栅水平面的距离，利用光功率计对光栅面的能量进行测量，再考虑以上各种因素对耦合能量的影响，照射到光栅耦合器的光强需考虑光栅接收面积的比例为10%左右。

耦合进硅基光波导的光信号在波导上传输的过程中的损耗包括：材料本身对光的吸收损耗、材料表面的粗糙度引起的光的散射损耗、波导尺寸失配引起的倏失波损耗等。测试光栅耦合器的耦合效率之前，制作了同样尺寸和长度的波导，并采用相同的实验条件和环境，对波导的传输损耗进行了测量，得到对于1 550 nm波长的信号光的传输损耗大约为35%左右。

在硅基波导出射端面的信号光离开尺寸为450 nm的波导在自由空间传输时，存在强烈的衍射效应，同时，在镜头表面也存在明显的菲涅耳反射，将光学显微镜系统收集到的衍射光场能量与波导中传输的能量进行归一化处理，发现有将近40%的能量损耗，因此，我们定义端面出的反射系数约为40%。

从硅基光波导出射的光信号经过透镜收集进入光功率计，考虑信号光的衍射效应、准直和对准误差、光功率计探测窗口大小的影响、探测器表面的反射等等，将光功率计获得的能量与没有加入显微镜系统直接获得的能量进行了对比和归一化处理，得到能量信号光的收集效率约15%左右。结合以上测试数据计算出光栅耦合器的耦合效率：

η=Po/(Pi×10%×65%×60%×15%)

由此计算得到光栅的耦合效率：

(1) 光纤的输出端口测量激光的输出功率Pi=130 μW

(2) 收集硅基光波导输出端光信号的强度Po=0.55 μW

(3) 亚波长光栅耦合器的耦合效率η≈72%

本文利用光纤-波导测试系统对亚波长光栅耦合器和波导的耦合效率和传输损耗等参数进行测试，系统总结了微纳光电子器件的测试方法和流程，并对测试结果进行了分析和讨论。该测试方法对于微纳光电子器件的设计、制作、测试和集成具有一定的指导意义。为快速准确的进行微纳光电子器件光电参数的测试与分析提供了参考。

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Testing and Analyzing Silicon Waveguide and Grating Coupler Based on the Fiber-Waveguide Testing Platform

YANG Jun-bo,ZHOU Wei,ZHANG Hua-liang,WU Wen-jun,HUANG Jie,CHEN Ding-bo,ZHANG Jing-jing,HAN Yun-xing

(National University of Defense Technology,Hunan Changsha 410073)

Micro-nano optoelectronic devices play an important role in the filed optical communication,optical information processing,biological sensor,and high performance computing and so on.The fiber-waveguide testing platform is used to analyze the properties of micro-nano devices including crosstalk,insertion loss,coupling efficiency etc.It consists of a tunable laser,a polarization controller,a lensed fiber,x/y/z axis step-motor,optical power meter and so on,whose precision can reach up to 50nm.Using the fiber-waveguide testing system to analyze the coupling efficiency of subwavelength grating and the loss of waveguide,we propose a testing method,which can be used in optical communication and optical interconnect network.

fiber-waveguide testing system；waveguide；SOI；crosstalk；insertion loss

2016-07-12

教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-12-0142);湖南省自然科学基金(13JJ3001)

1007-2934(2016)06-0009-06

TN 256

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.006.003