硅基二氧化硅20通道循环型阵列波导光栅制备

张家顺，安俊明，孙冰丽，陈军，胡炎彰，单崇新

（1 郑州大学 物理学院 河南省金刚石光电材料与器件重点实验室，郑州 450001）

（2 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室，北京 100083）

（3 河南仕佳光子科技股份有限公司，河南 鹤壁 458030）

0 引言

当前全球进入大数据时代，随着云计算、数据中心、移动互联网的兴起，急需引入下一代端口技术以满足应用需求。随着第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）第五代移动通信技术（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）非独立（Non-StandAlone，NSA）和独立（Stand‐Alone，SA）组网标准的正式冻结，我国运营商同步启动规划和设计5G 试点和预商用方案，5G 迈向商用的步伐逐步加快。“5G 商用，承载先行”，随着5G 诸多新特性的引入和5G 试验及预商用计划的逐步推进，面向5G 的承载架构与多样化的技术方案更是成为业界普遍关注的焦点。基于5G 承载需求，跟随密集波分复用技术在5G 承载产业整体发展态势，研究密集波分复用在5G 承载网络应用的关键共性技术问题［1］，将为5G承载架构及技术方案部署及产业灵活有序发展奠定基础。5G 无线接入网（Radio Access Network，RAN）在建设初期主要采用5G 基站（（next）generation NodeB，gNB）以及集中单元（Centralized Unit，CU）和分布单元（Distributed Unit，DU）合设模式，分前传和回传两级架构。未来可能采用CU 和DU 分离模式，承载网络分前传、中传和回传三级架构，实现CU 云化部署。

目前最具代表性的适用于5G 前传的密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技术方案，是基于国际电信联盟电信标准分局（International Telecommunication Union-Telecommunication Standardization Sector，ITU-T）的G.698.4 标准的波长自适应城域接入型DWDM 系统。该协议由中国信息通信研究院牵头制定，2018年2月9日，在日内瓦举行的ITU-T 第15 研究组全会上正式通过。相比于单纤双向光纤直驱方案和基于粗波分复用（Coarse Wavelength Division Multiplex，CWDM）或者局域网波分复用（Local Area Network- Wavelength Division Multiplex，LAN-WDM）的波分复用技术方案，该方案采用波长可调谐光模块，具备端口无关、波长自适应特性。尾端设备（Tail End Equipment，TEE）具备自动将其光模块工作波长调节至其所连光解复用器/复用器（Optical Demultiplexer/Optical Multiplexer，OD/OM）或光分插复用器（Optical Add-drop Multiplexer，OADM）端口的能力。光模块只需连纤至正确物理端口，上电后即可正常工作，无需波长配置，极大简化网络建设和运维，并减少备品种类和数量。该系统采用单纤双向传输，对称性好，同时采用了DWDM 技术，系统容量大。

阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating，AWG）［2-7］波分解复用器，具有低损耗、低串扰、高均匀性，且结构紧凑等优点，是波分复用光网络中的核心器件，也是高速光互连中的重要器件。5G 承载的20 通道波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）系统，其输入包含20 个上行波长和20 个下行波长，而20个输出端分别包含一个上行波长和一个下行波长，类似一个循环结构，需求专用的循环型AWG。而G.698.4 标准发布时间较短，针对5G 承载所需要的循环型AWG，通常采用的是薄膜滤波片（Thin Film Filter，TFF）拼凑方案，或者采用两个分立的AWG，一个工作在上行波段，一个工作在下行波段，再通过21个TFF，在输入、输出端分波和合波，从而实现循环型波长分配方案。

以上两种方案虽然能实现循环型波长分别方案，但是结构复杂，成本高，体积大，可靠性难以控制。本文采用高折射率差硅基SiO2单AWG 实现循环型波长方案，并利用常规AWG 无热［8-11］封装技术，针对前传-45 ℃～80 ℃工业温度要求，开展硅基二氧化硅20 通道循环型阵列波导光栅制备工作，以满足G.698.4 定义的波长分配方案。

1 阵列波导光栅芯片设计

阵列波导光栅型波分复用/解复用器的结构如图1，它由输入/输出波导、输入/输出平板波导和阵列波导组成。输入/输出平板波导采用罗兰圆结构，输入/输出波导和阵列波导由输入/输出平板波导相连。∆xi/∆xo为相邻输入/输出波导间的最小间距，d为相邻阵列波导之间的最小间距，R为罗兰圆直径，也是光栅圆半径，∆L为相邻阵列波导间的长度差，∆θi/∆θo为相邻输入波导/输出波导间的夹角，θi/θo为输入波导/输出波导与中心输入/输出波导的夹角。阵列波导的两端以等间距（d）排列在光栅圆周上，输入/输出波导排列在罗兰圆周上。

图1 AWG 结构示意Fig.1 Schematic structure of arrayed waveguide grating

对从中心输入波导输入，同时从中心输出波导输出的光，即掠射角为零时，应满足

式中，λ0为中心输入时，中心输出通道的输出光波长，m为衍射级数，nc为阵列波导有效折射率。从式（1）中可以看出，当掠射角为零度时，光栅仍能工作在高阶衍射。因光栅的波长分辨率与衍射级数的倒数成正比，所以阵列波导光栅有很高的波长分辨率，这是其与普通光栅的最大差异。

通道间隔∆λ可以从角色散得到

式中，ns为输入/输出平板波导有效折射率，ng为群折射率。从式（2）可以看出，∆λ和∆θo呈线性关系，即从输入波导输入的等间隔波长的光信号将从等间距排列的输出波导输出。同时可以看出，∆λ与输出波导间距∆xo、阵列波导间距d成正比，与罗兰圆直径R、衍射级数m成反比。

满足式（1）和式（2）的m和λ有许多不同的组合，即在相同的入射条件下，不同波长的光可能从相同的端口输出，则此时这两个波长之差，定义为自由频谱区（Free Spectrum Region，FSR），以波长表示自由频谱区的宽度为

对于不同的衍射级数m，自由频谱区FSRλ不同。自由频谱区FSRλ可以确定AWG 的最大通道数。

系统采用单纤双向传输，对于每一个传输通道，HE 至TE 方向（上行）和TE 至HE 方向（下行）需要使用不同的中心波长（频率）。为了保证不同通道双向传输的频率差值均最小，通道内两个方向上的中心波长（频率）需要配对使用，20 通道波分复用系统频率配对方式如表1［12］，8/12 通道波分复用系统，采用与20 通道波分复用系统相同的频率配对方式，其标称中心频率，采用表1中的Ch1～Ch8 和Ch1～Ch12。

表1 20 通道波分复用系统中心频率Table 1 20 Ch WDM system center frequency

针对5G 前传波长分配需求，需要AWG 一个通道输出两个不同波长，根据AWG 器件的特性，有两种基本结构可以实现：结构一利用AWG 自身周期性设计，如图2所示的1×20 循环型AWG；结构二在一个AWG 内设计，上下行两个波段工作在两个相邻的衍射级数，在输入端将两个波段分开，不同波段的光，分别调整其输入位置，可实现ITU 规定的波长对准，如图3所示的2×20 循环型AWG。

图2 1×20 循环型AWG 示意Fig.2 The diagram of 1×20 cyclic AWG

图3 2×20 循环型AWG 示意Fig.3 The diagram of 2×20 cyclic AWG

1.1 参数设计

在AWG 输入波导的末端引入多模干涉（Multi-mode Interferometer，MMI）结构可以实现输出光谱平坦化。根据自映像原理，输入光场可以在MMI 的输出像面上形成两个像。在自映像平面上，总的场分布可以表示成两个高斯像的叠加，最终形成一个平顶的输出谱线。但是，引入方形的MMI 结构，在光的传播方向上波导结构发生了突变，会增加插入损耗。为此，本文引入了指数型锥形波导代替方形结构，可以减小因波导结构上的突变带来的损耗［13-16］，且不带来光谱性能的恶化，如图4。

图4 输入波导结构示意Fig.4 Schematic structure of input waveguide

最小波导宽度W0=6 μm，输入端口径（Winput）大于等于6 μm。图5显示了指数型锥形波导不同Winput输入宽度下，AWG 的输出光谱。从图中可以看到，口径越小，插入损耗越小，串扰也越小，同时其光谱曲线顶部也越不平坦。当输入端口径从18 μm 增加到22 μm 时，AWG 的插入损耗从0.75 dB 增加到2.25 dB，同时传输谱线实现了很好的平坦化效果，模拟结果表明，在Winput输入宽度为22 μm 时，0.5 dB 带宽约为45 GHz（约0.35 nm）。

图5 不同指数型锥形波导输入端宽度的输出光谱模拟Fig.5 Simulated spectra of different exponential tapered waveguide widths

针对1×20 循环型AWG，以Ch10 为中心波长，针对上行波长λ1（波长1 529.55 nm）与下行波长λ27（1 550.12 nm）对准，均从Ch1 输出，则要求FSR 为该两个波长差，即20.57 nm；针对0.75%折射率差硅基二氧化硅工艺平台，根据式（3）及m为整数，推算出衍射级数m为74，推算出AWG 的结构参数如表2。

表2 1×20 循环型AWG 设计几何参数表Table 2 Design geometric parameters of 1×20 cyclic AWG

针对2×20循环型AWG，上下行两个波段工作在两个相邻的衍射级数，针对上行波段λ1（波长1 529.55 nm）与λ20（1 544.53 nm），其总波长间隔∆λup为14.98 nm，针对下行波段λ27（波长1 550.12 nm）与λ46（1 565.50 nm），其总波长间隔∆λdown为15.38 nm；针对0.75%折射率差硅基二氧化硅工艺平台，忽略材料色散对参数的影响，根据式（2），则∆λup/∆λdown=m/（m+1），推算出衍射级数m为37.45，因为m为整数，取m=37 则推算出AWG 的结构参数如表3。

表3 2×20 循环型AWG 设计几何参数表Table 3 Design geometric parameters of 2×20 cyclic AWG

以中心输入中心输出波长1 536.61 nm，估算出衍射级数为37 时FSR 为40.57 nm，大于实际要求的20.57 nm（λ27−λ1）。相比上行波段的输入，下行波段输入位置要向上移动，移动的波长偏移量为40.57 nm−20.57 nm=20.00 nm。假定设计的两个输入接近上下对称，则上行波段的输入位置为中心输入位置向下偏移，波长偏移量为10 nm，下行波段的输入位置为中心输入位置向上偏移，波长偏移量为10 nm，同时中心输入中心输出波长要修正为1 526.61 nm。

1.2 仿真结果及版图

由于时域有限差分算法（Finite Difference Time Domain，FDTD）模拟花费时间较长，对AWG 器件传输特性的模拟，常用的一种方式是简单传输函数法。光在AWG 器件中传输，可以大概分4 个步骤：第一步入射光在输入波导中传播；第二步为入射光在平板波导内衍射并被阵列波导收集；第三步为光波在阵列波导内传播，按波长不同产生不同的相位差；第四步为在第二个平板波导内聚焦成像，并且耦合进位于输出罗兰圆周的输出波导。

用δ函数来近似波导的模场分布，光波在器件内的传输可表示为

式中，M为阵列波导数量的一半，ρg（j，0）为第j根阵列波导的高斯模场分布，φ（j）是由于阵列波导随机尺寸波动等引起的光在阵列波导中传输时产生的光程随机扰动。简单传输函数法，在处理输出谱时忽略了传输损耗，模拟耗时短，直接给出输出响应谱，虽然不能对光信号在器件中的传输细节进行分析，但在分析中心波长、串扰时更为简洁。

采用简单传输法，对所设计的1×20 循环型AWG 进行了传输特性模拟，模拟的传输谱图模拟结果如图6。结果表明，理论上实现波长循环输出的基本功能。同时，该设计由于FSR 很小，外侧通道会很靠近FSR的边缘，而对于AWG 而言，边缘通道插入损耗大，插损均匀性难以满足系统要求。

图6 1×20 循环性AWG 模拟传输谱Fig.6 Simulated spectra of 1×20 cyclic AWG

进一步分析1×20 循环性AWG 传输谱线的各通道中心波长（即传输谱线峰值下降3 dB 对应两个波长的中心值），芯片各通道中心波长与ITU-T G.698.4 设定的通道中心波长之差为波长偏移量，模拟的芯片波长偏移量如图7。上行波长的偏移量很小，约为6 pm，而下行波长的偏移量在50～200 pm 之间，无法满足波长偏移量小于60 pm 的要求。其主要原因是，1×20 循环性AWG 结构设计，是基于通道1 的波长循环设计的，没有考虑上行波段和下行波段的色散关系（应与波长间隔匹配），因此导致了在上行波段波长对齐的情况下，下行波长出现较大波长偏移。

图7 1×20 循环性AWG 中心波长偏移量Fig.7 Center wavelength offset of 1×20 cyclic AWG

对所设计的2×20 AWG 进行了传输特性模拟，2×20 循环性AWG 模拟传输谱图模拟结果如图8。结果表明，理论上实现波长循环输出的基本功能，左侧上行波段（黑色曲线）由输入第二通道输入，右侧下行波段（蓝色曲线）由输入第一通道输入。模拟的芯片波长偏移量如图9，由于2×20 循环性AWG 结构设计，是基于上行波段和下行波段的色散关与波长间隔匹配来设计，因此可以实现上/下行通道中心波长的严格对准（offset＜10 pm）；同时，由于FSR 大于两倍的工作波导需求，外侧通道远离FSR 的边缘，插损均匀性也会远远优于结构一。

图8 2×20 循环性AWG 模拟传输谱图Fig.8 Simulated spectra of 2×20 cyclic AWG

图9 2×20 循环性AWG 中心波长偏移量Fig.9 Center wavelength offset of 2×20 cyclic AWG

通过各种参数设计及优化，最终采取2×N结构实现5G 前传的波长分配方案，2×20 循环性AWG 版图如图10。

图10 2×20 循环性AWG 版图Fig.10 The layout of 2×20 cyclic AWG

2 工艺制备及测试封装

2.1 工艺制备

采用等离子体增强化学气相沉积（Plasma-enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD）、低压化学气相沉积（Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD）、光刻及感应耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀等工艺制备硅基二氧化硅AWG，影响图像转移质量的一个关键性因素是刻蚀工艺。本文通过调整ICP 工艺参数，精确配比刻蚀气体，提升ICP 上电极射频电源功率、优化线圈设计及侧向进气改进设计等新方法，实现了高效、均匀、侧壁陡直、平滑、高深宽比的SiO2波导刻蚀，通过精确调整生长SiO2中B、P 组分，结合优化退火工艺，实现了上包层硼磷硅玻璃（Boro-phospho-silicate Glass，BPSG）厚膜的低损耗致密化，降低了波导包芯层间的应力，制备出的超高折射率差AWG 芯片显微镜照片及上包回流后扫描电子束显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）照片如图11。

图11 AWG 显微镜照片及截面扫描电镜照片Fig.11 AWG microscope photo and cross section SEM photo

采用2×20 循环型AWG，通过在输入端接入一个低通TFF，将上行波段和下行波分开，分别接入AWG对应的两个输入端口。并采用热膨胀机械位移补偿方式进行AWG 的无热封装，补偿温度变化引入的输出波长漂移，实现AWG 的温度不敏感，研制出C 波段20 通道循环型AWG 无热模块，并且在输入端接入5∶95的2×2 非均匀分路器，实现上/下行的功率监控，模块照片如图12。

图12 20 通道循环型AWG 无热封装模块照片Fig.12 Photo of 20 channel cyclic AWG athermal module

2.2 测试分析及耦合

采用可调谐光源、偏振控制器、光功率计、温循箱等测试设备对AWG 模块进行测试。测试输出光谱如图13。测量结果表明，最终模块的插入损耗约为5.5 dB，0.5 dB 带宽约为0.31 nm。相比常规AWG 而已，由于前段引入了非均匀光分束器和TFF 器件，导致模块插入损耗在普通AWG 模块的基础上增加约1.0 dB。0.5 dB 带宽相比模拟值小0.04 nm，主要原因是由于系统的相位误差，使得AWG 的传输谱线不是对称的平坦曲线，而是在顶部有一定的倾斜，从而导致0.5 dB 带宽减小；另外，制备过程中线条宽度、折射率差的偏移，也会导致0.5 dB 带宽的减小。

图13 20 通道循环型AWG 无热封装模块测试输出光谱Fig.13 Test spectrum of 20 channel cyclic AWG athermal module

在−40℃/25℃/80℃下的三温通道中心波长偏移量测试曲线如图14，通道中心波长偏移范围为40～80 pm。由测量结果可知，上行波段和下行波段的通道中心波长偏移量平均相差25 pm，可以通过向下微调下行波段的输入波导位置0.69 μm，使得上/下行波段的通道中心波长偏移量水平一致。同时，可以看出，在温度为−40 ℃时，通道中心波长的偏移量相比常温25 ℃时平均偏移68 pm，而在温度为80 ℃时，通道中心波长的偏移量相比常温25 ℃平均偏移为−5 pm。高、低温的波长偏移量不均衡一致，主要与AWG 无热封装的夹具相关，采用的封装夹具不是最匹配结构。可以通过微调夹具膨胀螺杆尺寸，均衡高、低温的波长偏移量，从而实现高、低温时，通道中心波长偏移量的进一步减小。

图14 20 通道循环型AWG 无热封装模块中心波长偏移Fig.14 Test center wavelength offset of 20 channel cyclic AWG athermal module

3 结论

本文设计并制作了针对G.698.4 标准、基于硅基二氧化硅材料的20 通道循环型AWG，采用的2×20 循环型AWG 结构可实现通道波长的严格对准，且插损均匀性更好。另外，采用指数型锥形波导取代矩形MMI 以实现AWG 通带平坦化，减小因波导结构上的突变带来的损耗，而且不带来光谱性能的恶化。通过机械补偿无热封装，实验测得该20 通道循环型AWG 模块的损耗约为5.5 dB，0.5 dB 带宽约为0.31 nm，在−40℃/25℃/80℃三温温度变化时，波长偏移量在−40～80 pm 范围内。基于2×20 通道循环型AWG 芯片制备的无热模块，具有小型化、低成本、大规模化生产的优势。通过进一步改进设计和制作工艺，降低通道中心波长的偏移量，该器件将可广泛应于5G 前传复用/解复用场景。