摘要:
为解决光波导器件耦合效率低、难以实现的问题，本文开展了集成光波导耦合技术的研究，设计了一种均匀光栅耦合器，采用时域有限差分法对光栅耦合器进行了仿真和优化。计算结果：光栅耦合器在耦合角度 = 20˚，刻蚀宽度w = 300 nm，刻蚀深度e = 70 nm，周期p = 660 nm时，该种光栅耦合器耦合效率达到57.2%。本文工作可为光栅耦合器的设计提供参考。
Abstract:
In order to solve the problem of low
coupling efficiency and difficult realization of optical waveguide devices, we
carried out the research of integrated optical waveguide coupling technology in
this paper, designed a uniform grating coupler, simulated and optimized the
grating coupler using finite difference time domain method. Calculation result:
when the coupling angle = 20˚, the etching width w = 300 nm, the etching depth
e = 70 nm, and the period p = 660 nm, the coupling efficiency of the grating
coupler reaches 57.2%. The work of this paper can provide reference for the
design of grating coupler.
1. 引言
近年来，硅基光子器件取得了飞速进展。与传统电子设备相比，它在信号噪声、带宽、延迟等方面取得了很大的突破 [1] [2] [3] [4]。因为其采用光子对信号进行传输，所以在速度上光子要远大于电子；在能量的传输中，光传输信号的原理是波的阻抗变换，能量的小尺寸低，不会容易失真，可以获得较大的传输容量。除了这些之外，硅基光子器件还可以与金属氧化物半导体工艺兼容，其制备相对简单，性能优异 [5] [6] [7] [8]。
硅基光子集成芯片的关键核心点是光信号的输入和输出 [9] [10]。输入光要通过耦合器件进入光子芯片，这个过程要引入独立的光源作为输入信号，硅基光子芯片需要具备高效率、大带宽的光耦合结构。本文设计了一种基于SOI (Silicon-on-Insulator)结构和中心波长为1550 nm的光栅耦合器，对其结构参数(刻蚀宽度w、刻蚀深度e、周期p)进行了仿真和优化，使其最优耦合效率达到57.2%。由于半导体工艺的不断进步与完善，光栅耦合器的精度也将会在不久的将来达到一个更高的程度，会在通信、成像、探测等领域里得到更广泛的应用。
2. 光栅耦合器结构仿真与优化
光栅耦合器的结构如图1所示，我们选取的是较为常规的220 nm SOI片，顶部的硅层厚度为220 nm，衬底层的厚度为2 μm，仿真结构如图2所示。光栅耦合器的结构参数主要包括周期p、刻蚀深度e、刻蚀宽度w和耦合角度θ。
影响一个普通的均匀光栅耦合器最大的是其耦合效率 和反射率R，决定耦合效率好坏的三个结构参数为：周期p，刻蚀深度e，刻蚀宽度w。
Figure 1. Schematic diagram of grating coupler structure
图1. 光栅耦合器结构示意图
Figure 2. Grating coupler simulation structure diagram
图2. 光栅耦合器仿真结构图
我们首先对刻蚀宽度w对耦合效率的影响进行分析，耦合角度θ = 20˚，固定光栅耦合器的周期为p = 620 nm，刻蚀深度e = 70 nm，分别计算不同的刻蚀深度在1550 nm波段的耦合效率，结果如图3所示。从图中我们可以看出刻蚀宽度w对耦合效率的影响较小，在w = 200~300 nm范围内，耦合效率几乎不变。刻蚀宽度对反射率R的影响如图4所示，我们可以发现刻蚀宽度w的变化对反射率R的影响同样很小，在w = 100~400 nm的区间，反射率R保持在3%以下。
Figure 3. Variation curve of coupling efficiency with etching width w
图3. 耦合效率随刻蚀宽度w的变化曲线
Figure 4. Variation curve of reflectivity with etching width w
图4. 反射率随刻蚀宽度w的变化曲线
同时，我们分析了刻蚀深度e对耦合效率的影响，耦合角 = 20，将光栅耦合器的周期p固定在620 nm，刻蚀宽度w = 320 nm，并分别计算了不同刻蚀深度e对耦合效率的影响，结果如图5所示。从图中可以看出，蚀刻深度e对耦合效率有很大影响。当刻蚀深度e = 70 nm时，耦合效率最大。蚀刻深度过大或过小都会降低耦合效率，但蚀刻深度过大会增加光栅耦合器的反射率R。图6为在此结构下不同刻蚀深度e对应的反射率R，我们可以看出反射率随刻蚀深度的不断增加和增大，在刻蚀深度e达到120 nm时，反射率对应达到40%，这显然会导致耦合效率的降低。
Figure 5. Variation curve of coupling efficiency with etching depth e
图5. 耦合效率随刻蚀深度e的变化曲线
Figure 6. Variation curve of coupling efficiency with etching depth e
图6. 反射率随刻蚀深度e的变化曲线
下面我们分析周期p对耦合效率的影响，耦合角度θ = 20˚，将光栅耦合器的刻蚀深度e固定为70 nm，刻蚀宽度w = 250 nm，结果如图7所示。从图中结果我们可以看出，当周期在p = 600~680 nm之间时，耦合效率的变化较小，从图8可以看出光栅耦合器反射率变化同样不大。
上面的仿真中，我们只是分析了单个结构参数对于光栅耦合器耦合效率的影响，为了获取较好的耦合效率，我们还需要对这三个参数进行综合的优化。由于从图5中我们可以得出当刻蚀深度e = 70 nm时耦合效率最高，下面我们就分析耦合角度θ = 20˚，刻蚀宽度e = 70 nm时不同的刻蚀宽度w和周期p在1550 nm波段下的耦合效率，结果如图9所示。从图中的数据我们可以明显看出当刻蚀宽度w = 300 nm，周期p = 660 nm时，光栅耦合器耦合效率达到最大值，为57.2%。
Figure 7. Variation curve coupling efficiency with period p
图7. 耦合效率随周期p的变化曲线
Figure 8. Variation curve of reflectance with period p
图8. 反射率随周期p的变化曲线
Figure 9. The relationship curve of coupling efficiency with period p under different etching width w
图9. 不同刻蚀宽度w下耦合效率随周期p变化的关系曲线
3. 结论
我们仿真了均匀光栅耦合器并同属数据优化了其耦合效率。通过数据可知，光栅的刻蚀深度e对耦合效率有着明显的影响，如要加工，需要对其工艺参数进行合理的选择，并且过程中要控制的精细。最后通过多组数据的分析我们得出在在耦合角度θ = 20˚，刻蚀宽度w = 300 nm，刻蚀深度e = 70 nm，周期p = 660 nm时，光栅耦合器耦合效率达到最大值，为57.2%。
NOTES
*通讯作者。