基于二氧化硅的16通道循环阵列波导光栅路由器

陈梦丹，董睿琦，姜英琦，王书新，郎婷婷

(1.中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018;2.浙江大学 光电科学与工程学院 现代光学仪器国家重点实验室，浙江 杭州 310027)

近些年，在我国全业务运营和三网融合快速推进的背景下，国家与社会对信息容量的要求与日俱增，不仅视频通讯、高清晰数字电视等业务量不断扩大，高分辨率数字游戏、3D影像、远程教育等新兴业务的发展在日益繁荣。因此人们迫切需要能适应时代发展的网络传输新技术出现。相比同轴电缆传输，光纤由于传输速度快，携带信息量大以及抗干扰能力强等多方面的优势，在近年的网络架构中扮演着至关重要的角色，依赖光纤为主要载体的通讯业务也逐渐成为信息时代的主流[1]。

为了在已经铺设的光纤光缆基础上进一步提升通讯容量，人们陆续提出了光时分复用(Optical time division multiplexing, OTDM)[2]、光码分复用(Optical code division multiplexing, OCDM)[3]及波分复用(Wavelength division multiplexing, WDM)[4]等信息复用技术。相比前面两项技术，波分复用是这些年来受到关注最多、发展最为成熟的光纤通讯复用技术。现有的波分复用器总类很多，如薄膜波分复用器(Thin film filters, TFF)[5]、光纤光栅(Fiber Bragg gratings, FBG)[6],波分复用器[7]、体光栅波分复用器[8]以及平面波导集成波分复用器等。其中，平面集成波分复用器，是基于半导体集成工艺设计制作的一些波分复用器件。平面波导复用器具有波长间隔小、通路数量多、通带平坦等特点，是非常适合DWDM系统用的无源器件。而现有的平面集成波分复用器中，最典型的有两种，一种是阵列波导光栅(Arrayed waveguide gratings, AWG)[9]，而另一种则是刻蚀衍射光栅(Etched diffraction gratings, EDG)[10]。当研究需要较大的信道数和较小的信道间距时，AWG通常是实现波分复用器件的最佳选择[11-12]。AWGs已经被广泛商业化使用。但是，众多的学者仍在努力改善其性能，使其性能得到更大的利用[13-15]。

常用的制作AWG的材料包括二氧化硅[13]、聚合物[16]和绝缘体上的硅(Silicon-on-insulator,SOI)[17]，其中最常用的是硅基二氧化硅技术。由于其波导尺寸与光纤能形成良好匹配，因此插入损耗较低。近些年，由于用于芯片内和芯片间通信的光学互连系统的出现，波长路由器是一个热门的研究主题[18-19]。AWG路由器是具有N个输入通道和N个输出通道AWG。并且为了确保AWG的相邻衍射级之间没有间隙地连接，AWGR(AWG routers)的自由光谱范围(Free spectral range, FSR)等于通道数乘以通道间距的乘积。这样，AWGR可以同时处理N2个光通道作为具有N个波长通道的路由器，这在大容量光互连中起着重要作用。本文的研究将针对以上提到的技术的不足，通过微调阵列波导位置朝向，在光波长路由器的输出自由传输区采用离焦设计，能量焦点离开传统设计的输出波导中间，使得能量在各个输出波导均匀分布，同时光通信上插入损耗变小,实现4×4的面向光互连的损耗均匀的光波长路由器。不改变N×N光波长路由器原有结构，无需额外元件，不增加器件尺寸，仅微调阵列波导朝向，具有制作简单、成本低、与半导体CMOS工艺兼容等优点。因此本文提出并实现了基于二氧化硅的16通道AWGR。

1 理论与仿真

如图1，AWG通常由五部分组成：输入波导(Input Waveguides, IW)，输入自由传播区域(The Input Free Propagation Region, FPR1)，阵列波导(Arrayed Waveguides, AW)和输出自由传播区域(The Output FPR, FPR2)。AWG的工作原理如下。不同波长的多路复用信号光在输入波导中传输，耦合到第一FPR中，并在FPR中自由扩散。阵列波导的物理长度设计成在相邻波导之间具有恒定的路径长度差，这将导致不同波长的相位差。因此，不同的波长在通过阵列波导传输后具有不同的相位差；然后，根据以下AWG的衍射方程式(式1)，光将在输出FPR内相长干涉，并且不同的波长将聚焦在不同的输出位置。最后，这些波长通道的输出波导将接收相应的波长通道。

ns(λ)dasinθi+naΔL+nsdasinθ0=mλ。

(1)

其中，ns和na分别为平板区域和阵列波导的有效指数。θi是中央输入波导和罗兰圆法线所成角，θ0是输出波导和罗兰圆的法线所成角度，da是相邻阵列波导之间的间距。

图1 AWG的原理图

当N×NAWG的FSR等于通道间隔的N倍时，AWG将表现出循环效应。当波长变化值等于通道间隔时，输出光将从一个输出通道切换到另一个相邻的输出通道。此循环模式允许AWG用作光路由器。以4×4AWGR为例，如图2，每个通道都可以接收4个波长的光信号，经过AWGR之后依次从输出通道输出，即每个通道可以接收4个不同波长的信号。

图2 4通道的波长路线图

本文采用的波导结构为6 μm×6 μm掩埋型二氧化硅方形波导，包层折射率为1.46，芯层折射率为1.47。波导芯是掺锗的。采用有限差分法(Finite difference method，FDM)计算了平板波导和通道波导的有效折射率。在确定了中心波长、通道数和通道间距之后，由于制作的限制，我们选择相邻阵列波导的间隙为2 μm。根据FSR的要求计算了AWGR的衍射级次。然后利用中心波长的衍射方程确定相邻阵列波导的路径长度差。输入/输出波导的距离和FPR的长度均用公式1计算。最后，阵列波导的数目应该足够大，以允许发散光在FPR中传播后的充分耦合。主要设计参数如表1。

表1 AWG的设计参数

接下来我们使用Matlab软件自编程序，基于光传输过程的基尔霍夫衍射方程仿真方法，对上面设计完成的AWGR进行模拟仿真，输出光谱的模拟结果如图3。所设计的器件的串扰约为33 dB，插入损耗在0.55～4.33 dB之间

图3 光从中心输入波导输入时AWGR的16通道输出光谱仿真图

2 实验结果

接下来我们就进行了实验，实际制作出了基于二氧化硅的AWGR。制备以二氧化硅为基底AWGR的基本工艺流程如图4所示。第一步在硅衬底上用等离子增强化学气象沉积(Plasma enhanced chemical weather deposition, PECVD)进行薄膜沉积，依次形成由芯层(6 μm×6 μm)、下包层是12 μm二氧化硅构成的波导层。第二步旋涂光刻胶AZ5214，并按照1∶1的比例将绘制图案制作成掩膜版，通过曝光技术将图案转移至光刻胶层。光刻技术主要有接触式曝光、接近式曝光、投影式曝光。我们实验采用接触式曝光。然后将曝光后的基片进行显影，通过碱液作用，将未发生光聚合反应的光刻胶清洗掉。第三步，溅射金属。在光刻胶层上采用磁控溅射的方法镀金属，实验选用Ni为掩膜材料，其厚度200 nm。在溅射镍之前溅射了很薄一层的钛，这是为了增加金属掩膜和二氧化硅薄膜的粘合度。第四步，剥离金属与光刻胶层，此时基片留下掩模版图案。第五步，进行刻蚀。实验采用干法刻蚀中常见的反应离子刻蚀技术。从而将金属掩模上的图案转移到波导层上，刻蚀得到波导结构。第六步，去除残留金属。最后一步，沉积上包层薄膜。实验采用等离子增强化学气象沉积方法，在芯片表面沉积12 μm的二氧化硅作上表面包覆层。

图5分别是在显微镜和电子显微镜下观察到二氧化硅波导的照片。图5(a)是在显微镜下观察到的6 μm×6 μm波导照片，中间较亮的正方形即为掺锗的波导芯层。图5(b)是用电子显微镜观察到的刻蚀后未沉积上包层时的二氧化硅波导照片，可以看出来刻蚀后的波导侧壁并不是完美的90°，后续还将继续进行波导制作工艺的优化[20]。

图4 AWGR的制造过程

图5 硅波导的显微图像

接下里就要对上述制作好的芯片进行测试，如图6。计算机控制可调谐激光器和功率计。这两个仪器分别又与光纤相连，并连接到AWGR的两端。可调谐激光器发出光信号，通过单模光纤和旋转偏振控制器获得TE模式或TM模式。光纤的端面耦合到芯片中，由输出波导输出，耦合到输出光纤中，最后进入光功率计。光功率计的作用是在一定的波长范围内扫描可调谐激光器的输出波长，并记录相应的光功率计值，从而得到实验AWGR的光谱。

注：PMF-保偏光纤；PMLF-保偏透镜光纤

图7 当光从中心波长通道输入时，该AWGR的实验输出光谱

图8 当光从边缘波长通道输入时，测量该AWGR的输出光谱

图7和图8分别显示了当光从中心和边缘输入波导输入时，这种16×16AWGR的测量输出光谱。表2和表3分别是当光从中心和边缘输入时的中心波长和插入损耗值。从表2和表3中的数据中可以看出波长循环，证实了该AWGR的波长路由功能。串扰约为25 dB，输入通道的插入损耗在4.50～6.79 dB之间。这些数值略低于模拟结果，这可能是由于刻蚀后的波导侧壁并不是完美的90度，因此在具体的实验中就会产生误差，是实验结果不如仿真结果的结构完美。

表2 光从中心波长通道输入时的中心波长和插入损耗的实验值

表3 光从边缘波长通道输入时的中心波长和插入损耗的实验值

3 结 论

本文实现了一种基于二氧化硅的16×16的循环阵列波导光波长路由器，并且本文并没有改变N×N光波长路由器原有结构，无需额外元件，不增加器件尺寸，仅微调阵列波导朝向，因此它的制作简单、成本低、同时可与半导体CMOS工艺兼容。与此同时，实验结果与仿真效果较接近，与仿真相比，其插入损耗的最低值增加了约3.95 dB，插入损耗的最大值增加了约2.46 dB，串扰约为25 dB，可以实现预期的目标。