硅基亚波长光栅波导在微波光子学中的应用

王俊嘉，房崇宝，Lawrence R Chen

（1.东南大学光传感通信综合网络国家地方联合工程研究中心，江苏南京 210096；2.麦吉尔大学电子工程系，加拿大蒙特利尔 H3A 0E9）

1 引言

微波光子学是微波（射频）技术和光子技术的融合产物［1，2］.它的基本原理是利用光电子器件如光学滤波器、光学延迟线、电光调制器、光电探测器等基本元件，通过组合来完成对微波信号的产生、处理和传输.随着电子信息系统向宽带化、阵列化和小型化不断发展，微波光子技术由于具有光子技术大带宽与速度快的优点，成为解决电子系统面临的速率和带宽瓶颈的关键技术之一.微波光子学中对微波信号的处理包括了微波信号的延迟、相移、滤波和频率测量等微波系统中常见的功能.为了达到减小系统尺寸、降低损耗、实现功能可编程及可重构的目的，人们将传统的微波光子学中多个光电器件集成到了单个芯片上.目前在微波光子集成领域国内外已经有了诸多成果和解决方案［3～10］.

硅基亚波长光栅波导，是由间距小于波长的周期性排布的波导构成［11～20］.亚波长周期结构使得衍射和折射表现得像均匀介质一样，其支持的Bloch模可通过周期波导传播，而不会产生由衍射或包层模式引起的损耗.亚波长光栅波导展示了宽带宽、高耦合效率等优点［21～24］，基于这些优点的器件与装置已被设计和演示，包括耦合器［25］、偏振器［26］、偏振分束器［27］等.硅基亚波长光栅波导另一个重要优点是它们允许灵活地控制复合波导的光学性质，基于该优点所设计出的器件与装置包括布拉格光栅谐振腔［11，28，29］、微环谐振腔［18，20］、真延迟线［30，31］等.这些器件可在光域内对微波信号进行处理，可应用于集成微波光子系统中.

本文将对基于亚波长光栅波导的微波光子器件的一些研究进展进行探讨.在2.1节中介绍集成微波光子学中的亚波长光栅；在2.2节中将介绍亚波长光栅的原理；在2.3节中将介绍基于亚波长光栅的布拉格光栅滤波器；在2.4节中将介绍基于亚波长光栅微环的谐振腔和调制器；在2.5节中主要介绍基于亚波长光栅波导的光学延迟线.最后进行总结与展望.

2 原理与应用

2.1 集成微波光子学中的亚波长光栅

集成微波光子系统一般由光源、光调制器、光信号处理器和光电探测器构成，如图1所示［4］.入射射频信号通过光调制器加载至光信号的边带，通过信号处理器加工或者修改边带的频谱特性，并由光学探测器通过拍频转换至射频信号.这一套系统具有天线重构、射频光子滤波、延迟、移相、光波束形成、任意波形产生、频率上下转换、微波信号产生和频率测量等功能.基于亚波长光栅宽带宽、高耦合效率、折射率可控等优点，亚 波 长 光 栅 可 用 于 实 现 光 源 的 耦 合［32～35］，光 调 制器［36，37］，信号处理中的滤波、延迟、波束形成等功能.本文着重讨论亚波长光栅调制、滤波和延迟.

图1 集成微波光子系统示意图

2.2 亚波长光栅原理

一般情况下，一维周期结构包括折射率分别为n1和n2的平板介质，可以被用作衍射光栅.Rytov发现［38］，当光栅周期远小于光的波长时，亚波长光栅在光学范畴内会等价于一个垂直于层的单轴晶体，如图2（a）所示.光栅结构的色散关系如图2（b）所示：当频率在辐射区域，光波经过光栅被散射到外界；当频率在布拉格反射区域，依然没有导波模式存在，光波由于反射损耗指数型增加；当频率在亚波长区域，周期性的波导可以支持Floquet-Bloch模无损传输，其对应模场分布如图2（c）所示［39］.入射在光栅上的光具有平行或垂直于周期性结构的电场偏振，并且相应的等效折射率分别为

图2 亚波长光栅原理图[43]

这里a是材料折射率为n1的平板介质的宽度，Λ是光栅的周期，λ是光波长.这种将光栅结构视为等效均匀材料的处理方法也被称为有效介质理论［40，41］.值得注意的是，等效结构的折射率是偏振敏感的.亚波长光栅结构的原理已被揭示，亚波长光栅在集成光学领域的应用在过去的几年里受到广泛关注［42，43］.

在通信波段的亚波长光栅结构，周期需要满足的条件为Λ＜ΛBragg≈300 nm，正好在电子束光刻和深紫外光刻条件范围内.由于在更长的波长条件下，对尺寸的限制条件更低，因此亚波长光栅结构也可被应用于中红外光范围［44，45］.目前，硅基亚波长光栅波导可以通过周期性排列硅和二氧化硅来实现.为了配合CMOS工艺，亚波长光栅波导高度一般为220 nm，氧化硅掩埋层为2～3 μm，被2 μm的氧化硅包层所覆盖［46］.亚波长光栅波导的小尺寸、结构简单、低非线性［47］、易于加工、易于集成等优势和硅成熟的工艺平台结合为高性能光电器件提供了良好的支持.

2.3 基于亚波长光栅的布拉格光栅滤波器

布拉格光栅是应用于微波光子信号处理系统的常用设备，提供滤波、分插复用以及色散补偿等功能.布拉格光栅基于折射率的周期性变化，因此布拉格光栅可以通过折射率可调的亚波长光栅波导构成.

Wang等人［11］基于绝缘硅平台设计了亚波长光栅布拉格光栅，他们利用交错的2个亚波长光栅波导形成布拉格光栅.他们定义2个亚波长光栅波导的占空比分别为D1=a Λ1，D2=a Λ2，所以亚波长光栅布拉格光栅的周期变成了Λ1+Λ2，通过改变这2个亚波长光栅波导的占空比，可以得到有效折射率的周期变化并因此可以获得布拉格反射，如图3所示.本文通过仿真证明随着占空比D2的变大，布拉格波长以及不同Bloch模式下的光栅折射率都在变大.

图3 亚波长光栅布拉格光栅图[11]

Pereira-Martín等人［48］随后提出了一种基于包层调制亚波长光栅的复杂光谱滤波器，结构如图4（a）和（b）所示.本文研究了2种边带调制亚波长光栅结构，一种是硅波导芯，另一种是亚波长光栅波导芯，测试结果如图4（c）和（d）所示.这项工作基于先前提出的亚波长光栅布拉格光栅，同时加入边带实现精细调控可用作任意光谱滤波器，为后续集成频谱整形和任意波形产生提供了新方案.

图4 基于包层调制亚波长光栅的复杂光谱滤波器[48]

表1总结了基于亚波长光栅布拉格光栅滤波器的部分成果［48～50］.由表1可以看出，目前亚波长光栅布拉格光栅滤波器的品质因子达到了105级别，线宽达到10.97 pm，优于传统硅基布拉格光栅，后续想要进一步提高，需要在材料和工艺方面寻求突破.

表1 亚波长布拉格光栅滤波器相关成果

2.4 亚波长光栅微环谐振腔和调制器

除了布拉格光栅，环形谐振腔也可以实现滤波和色散补偿等功能.亚波长光栅波导可直接构成亚波长光栅环形谐振腔.图5（a）为Wang等人［11］提出的亚波长光栅环形谐振腔的示意图.其中环形波导和直波导的间隙g为640 nm，亚波长光栅波导的周期Λ为300 nm.图5（b）是2.5D FDTD仿真的电场分布结果，可以看出亚波长环形谐振腔的工作原理与传统环形谐振器类似，即光耦合到腔中并在腔中循环，区别在于模式的不同.亚波长光栅在波导和环的区域内都是Bloch模.制备出的亚波长光栅环形谐振腔如图5（c）所示.图5（d）～（f）显示了具有不同环半径的亚波长光栅环形谐振腔的实验结果，并在表2中总结了这些结果.从表2可知，较大的环导致较小的自由光谱范围（FSR）.谐振峰的品质因子Q值（定义为λ0/Δλ，其中λ0是谐振的中心波长，Δλ是相应的3 dB带宽）和消光比（ER）取决于损耗，而损耗取决于亚波长光栅波导的占空比和弯曲半径.为了进一步改善消光比，Wang等人设计了跑道型亚波长光栅环形谐振腔，最后得到了33 dB的消光比，详见文献［51］.

图5 亚波长光栅微环谐振腔和调制器[11]

表2 不同半径的亚波长光栅微环谐振腔

为了进一步提高品质因子，Wang等人［52］提出了梯形硅柱形成的不对称结构，如图6所示.该结构利用了梯形硅柱的结构可有效控制传播模场，增加内环模场分量，从而可以显著降低外环弯曲损耗.该结构代替了传统的矩形硅柱制备出了半径为5 μm的亚波长光栅环形谐振腔，将传输损耗大幅降低到6.07 dB/cm，使其Q值最高达到45 000.

图6 梯形硅柱形成的不对称结构[52]

基于亚波长光栅环形谐振腔，Pan等人［53］提出了一种电光聚合物渗透的高速调制器，如图7所示.亚波长光栅波导的Bloch模式与电光聚合物大面积重叠，优化后可达到36.2%.该调制器的3 dB调制带宽大于40 GHz，能耗低于26 fJ/bit，为硅基调制器提供了新方案.

图7 电光聚合物渗透的高速调制器[53]

目前亚波长光栅环形谐振腔的品质因子高于布拉格光栅，同时具备高速可调谐特性.通过此类滤波器/调制器进行频谱整形，可在光域中进行信号处理，从而获得低损耗、高带宽、不受电磁干扰的微波信号.

2.5 亚波长光栅延迟线

光学延迟线是集成微波光子信号处理的重要模块，被广泛应用于移相控制中.高延迟、连续可调谐、较宽的运行带宽以及低损耗都是光学延迟线的重要需求［54］.

Wang等人［30］提出了基于亚波长光栅不同有效折射率、相同长度波导阵列的集成光学真延迟线，如图8所示.该器件相比于传统波长可变延迟线具有更大的运行带宽，超过几十太赫兹，可以用于超宽带宽光信号.如图8（e）所示，观察到的光谱具有9 nm的周期性特征，对应于9 ps的时间延迟增量.为了进一步证实研究时间延迟的增量，Wang等人在Mach-Zehnder干涉仪每个臂上设有不同占空比的亚波长光栅波导（图8（e））.通过测量光谱响应，可证实亚波长光栅延迟线可获得亚皮秒的分辨率.该工作给硅基延迟线的发展提供了新思路.

图8 集成光学真延迟线[30]

Sun等人［55］提出了一种基于亚波长光栅啁啾布拉格光栅做成的光学延迟线.其通过串联10个亚波长光栅布拉格光栅形成了阶梯式啁啾来实现延迟线，如图9所示.与先前的结构相比，该设计可以通过调节负载部分的间隙来控制带宽和布拉格波长.该器件测试得出6 ps的步进延迟和41.7 nm的总带宽以及60 ps的总延迟，结果如图9（b）和图9（c）所示.该研究中所设计出的亚波长光栅啁啾布拉格光栅光学延迟线在运行带宽和延迟范围之间取得了较好的平衡.同时该研究也展示了典型应用示范，即相控阵天线的光波束形成，如图9（d）所示.同时，该课题组的Wang等人［56］设计了一种基于亚波长光栅波导且折射率可变的光学延迟线.该设计利用弯曲的结构节省了空间，在紧凑的空间内实现了高延迟性能.

图9 基于亚波长光栅啁啾布拉格光栅做成的光学延迟线[55]

3 结论与展望

本文主要介绍了集成微波光子学中的硅基亚波长光栅波导滤波器、调制器和光学延迟线.对于滤波器，这里主要介绍了亚波长布拉格光栅以及亚波长光栅环形谐振腔2种亚波长光栅滤波器.亚波长光栅布拉格光栅通过改变其占空比或边带形貌来调整布拉格波长和线宽；亚波长光栅环形谐振腔亦是通过占空比和形貌等参数优化以获得较高的品质因子；基于亚波长光栅环形谐振腔渗入光学聚合物可形成高速光调制器；而光学延迟线，则是通过改变其亚波长光栅波导的占空比和形貌来控制时间延迟，以获得自由度更高的调控.

与传统的硅基集成微波光子学中的滤波器、调制器和光学延迟线相比，由硅基亚波长光栅波导构成的滤波器、调制器和光学延迟线具有更灵活、更高可调谐性和理论上更低损耗等特性.虽然硅基亚波长光栅波导的优势十分明显，但仍有不足.亚波长光栅波导在制备工艺、结构、材料、尺寸等方面仍需优化.在制备工艺方面，现有工作大部分依赖电子束曝光，未来需要进一步结合CMOS工艺平台参数，设计合理的器件建构，例如使用边带调制，从而实现系统级集成微波光子应用.在材料方面，绝缘硅并非唯一选择，未来可以考虑氮化硅、铌酸锂等材料.

硅基亚波长光栅波导构成的滤波器和光学延迟线还在不断发展中，相信在不久的将来，硅基亚波长光栅波导在微波光子学中的应用会更加广泛，由其构成的微波光子器件的性能也会变得越来越好.