模場失配損耗對波導(dǎo)與光纖耦合效率的影響

模場失配損耗對波導(dǎo)與光纖耦合效率的影響

1光纖耦合效率的研究隨著通信技術(shù)的快速普及和高速帶的需求，光集成設(shè)備的需求變得越來越緊迫。它在提高光纖和電纜通信的效率方面的重要課題之一是如何提高光纖和導(dǎo)線的結(jié)合效率。因此,研究二者的有效耦合具有重要意義。本文簡要介紹波導(dǎo)與光纖耦合的機(jī)理,詳細(xì)介紹國內(nèi)外對于提高波導(dǎo)與光纖耦合效率的三類方法,最后對三類耦合器的特點進(jìn)行比較并得出結(jié)論。2準(zhǔn)直系統(tǒng)的模場失配損耗波導(dǎo)與光纖耦合過程中的總插入損耗是光學(xué)耦合系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)。波導(dǎo)與光纖耦合的總插入損耗由四部分構(gòu)成:傳輸損耗、菲涅耳反射損耗、對準(zhǔn)偏差損耗和模場失配損耗。其中,光纖與波導(dǎo)中如彎曲、交叉等部分所造成的傳輸損耗可以通過合理的設(shè)計和制作來減少;菲涅耳反射損耗可以利用減反射膜和折射率匹配液來降低;對準(zhǔn)偏差造成的損耗可以采用定位槽固定的方式,從而減少由于光纖波導(dǎo)的端面錯位和端面不平行造成的對準(zhǔn)偏差損耗。在光纖和波導(dǎo)是理想準(zhǔn)直的條件下,模場失配損耗在整個耦合損耗中所占據(jù)的比例最大,也是最難解決的問題,本文主要討論模場失配損耗。耦合效率η與模場匹配的關(guān)系可用光纖與波導(dǎo)模場分布的重疊積分表示為式中Ew表示波導(dǎo)模場,Ef表示光纖模場。對于均勻單模光纖(SMF)來說,基模場強(qiáng)在光纖橫截面上近似為高斯分布,是圓對稱的,而波導(dǎo)模場一般是非對稱的,且比光纖中模斑半徑小。可見,單模光纖與波導(dǎo)的模場分布并不匹配,這將導(dǎo)致較大的耦合損耗。因此,在不影響光波的單模傳輸?shù)臈l件下,改變光纖或波導(dǎo)的模場分布使二者盡可能地匹配是非常必要的。3基于模場失配的提高耦合效率的方法從1972年開始研究光纖對光纖的連接損耗至今,在集成光電子學(xué)領(lǐng)域,光纖與波導(dǎo)之間的耦合問題是一個長期的具有挑戰(zhàn)性的課題。迄今,國內(nèi)外已成功地提出幾種有效提高耦合效率的方法,并逐步接近實用化的程度。通過總結(jié),本文將比較成熟的通過降低模場失配來提高耦合效率的辦法歸納為以下三種:1)楔形耦合器;2)透鏡耦合器;3)光柵耦合器。3.1楔形連接裝置楔形耦合器從外形上說就是一個錐形結(jié)構(gòu)的耦合器,其功能是把光纖中的模式與波導(dǎo)中的模式匹配,通常有正向、反向和狹縫式三種楔形結(jié)構(gòu)。3.1.1水平合成三維模式正向楔形是一種最直觀的結(jié)構(gòu),與光纖連接的一端擴(kuò)展為光纖尺寸大小,與波導(dǎo)連接的一端拉成楔形。從外觀上可分為三類:水平楔形變換、垂直楔形變換和兩個方向上均作楔形變換。1975年,華盛頓大學(xué)的Winn等首次提出利用水平楔形結(jié)構(gòu)解決多模波導(dǎo)與單模波導(dǎo)的耦合效率問題,從而引發(fā)了楔形結(jié)構(gòu)的廣泛研究。1994年,日本NNT光電實驗室在單模光纖與波導(dǎo)耦合過程中引入水平楔形結(jié)構(gòu),并指出該水平楔形結(jié)構(gòu)與光纖耦合存在較大橫向容差,因此幾乎可以應(yīng)用到所有半導(dǎo)體光學(xué)儀器中。水平楔形耦合器的突出優(yōu)點在于,其制作工藝相對于其他楔形結(jié)構(gòu)來說較為簡單,一般采用標(biāo)準(zhǔn)的光刻、刻蝕等工藝就可以完成。隨著集成器件的發(fā)展,將耦合器和波導(dǎo)集成在同一個襯底上逐步成為關(guān)注的熱點。在2003年的國際光纖通信會議上,英國Bookham公司的Day等最早提出水平楔形模斑轉(zhuǎn)換器,如圖1(a)所示,實驗數(shù)據(jù)顯示該耦合器與光纖端面的耦合損耗接近0.5dB,即實現(xiàn)了較好的模式匹配。2005年,在Bookham公司研究的基礎(chǔ)上,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所對該脊形結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)并取得了一定的成績,采用絕緣體上硅(SOI)片制作水平楔形模斑轉(zhuǎn)換器,將正方形的脊形分為上脊和下脊兩個部分,如圖1(b)所示。模擬結(jié)果表明,在不采用模斑轉(zhuǎn)換器的情況下,單模波導(dǎo)與光纖的耦合損耗接近4dB;采用后,模斑轉(zhuǎn)換器與光纖的耦合損耗僅有0.44dB。這種模斑轉(zhuǎn)換器的耦合效率較高,但也存在一些不足:器件尺寸太大,不適應(yīng)小尺寸亞微米波導(dǎo)的要求且不利于單片集成。另外,偏振敏感性也是需要解決的問題。在水平楔形模斑轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上,2003年美國Delaware大學(xué)的Sure等報道了用灰度掩模方法制造的正向垂直楔形模斑轉(zhuǎn)換器,如圖2所示。這種耦合器雖然制作工藝相對復(fù)雜,但非常適合高密集單片集成。綜合水平楔形結(jié)構(gòu)和垂直楔形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點,最理想的就是兩個方向都拉錐的雙向三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器。1992年,美國貝爾通信實驗室的Deri等第一次提出對波導(dǎo)進(jìn)行水平和垂直兩個方向拉錐,實驗得到該模型與光纖的耦合損耗為2.6dB,但其缺點是工藝復(fù)雜。2003年,美國ConfluentPhotonics公司的Fijol等用灰度光刻和拋光工藝分別制作了同一種結(jié)構(gòu)的雙向拉錐三維(3D)模斑轉(zhuǎn)換器,如圖3(a)所示,耦合效率高,但對準(zhǔn)容差小。三維楔形結(jié)構(gòu)還可以在不同的軸向(Z軸)位置分別進(jìn)行水平和垂直拉錐。2006年,奧地利JohannesKepler大學(xué)Holly等制造出這種三維楔形模斑轉(zhuǎn)換器,如圖3(b)所示。光束從光纖出射后,通過引入一層防反射膜到達(dá)垂直方向錐形,而后通過水平方向錐形,最終在線波導(dǎo)中穩(wěn)定傳輸。2007年,日本Utsunomiya大學(xué)的Shiraishi等在理論和實驗上均驗證了該模型的有效性,實驗結(jié)果顯示,通過該模斑轉(zhuǎn)換器可以使得光纖與硅線波導(dǎo)的耦合損耗由8.64dB降低至0.5dB。3.1.2反向合成金屬薄膜正向楔形耦合器是與小尺寸的波導(dǎo)連接一端拉成楔形,而反向楔形耦合器則相反,與大尺寸的光纖連接一端拉成楔形。其特點是隨著楔形尺寸逐漸縮小,芯區(qū)內(nèi)的場趨于截止,光場逐漸向包層滲透,模斑尺寸隨之增大,從而實現(xiàn)波導(dǎo)模場與光纖模場的有效耦合。1992年,德國電信公司的Zengerle等首次提出在光纖波導(dǎo)之間引入反向楔形模斑轉(zhuǎn)換器,這一概念的提出引起了學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注,并成為了研究的熱點。直至美國Cornell大學(xué)的Almeida等制造出納米反向楔形模斑轉(zhuǎn)換器,如圖4(a)所示,克服了之前該類耦合器縱向尺寸大、背反射較強(qiáng)的缺點,從而引發(fā)了反向楔形模斑轉(zhuǎn)換器的革新。盡管這種反向楔形模斑轉(zhuǎn)換器設(shè)計很巧妙,但耦合損耗仍然高達(dá)3dB以上,而且對于偏振光非常敏感。針對反向楔形模斑轉(zhuǎn)換器耦合效率較低的問題,先后有很多課題組進(jìn)行了研究,較為突出的是日本NTT公司。2002年,該公司報道了反向楔形模斑變換的損耗低于1dB,如圖4(b)所示。2008年,在該公司的實驗中,更是將該耦合器與脊形波導(dǎo)的耦合損耗降低到了0.7dB。相比較而言,日本NNT公司耦合器的主要優(yōu)勢在于其耦合效率高,而美國Cornell大學(xué)的耦合器則是目前報道的尺寸最小的SOI模斑轉(zhuǎn)換器,它與光纖接觸的楔形端面尺寸為納米量級且其長度僅40μm,但是偏振敏感性是其不足之處,需進(jìn)一步改進(jìn)。2011年,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的Ren等在前人提出的模型基礎(chǔ)上,對反向楔形耦合器的拉錐線形進(jìn)行了深入研究,得到結(jié)論:采用指數(shù)或平方線形拉錐的楔形結(jié)構(gòu)在耦合效率、設(shè)備尺寸、制造公差和對準(zhǔn)容差方面均優(yōu)于直線拉錐楔形耦合器。3.1.3狹義縫式導(dǎo)電材料狹縫式耦合器由兩側(cè)的波導(dǎo)、中間的狹縫和外包層構(gòu)成。其原理是隨著波導(dǎo)狹縫端口處尺寸的縮小,模場在端口處離散化,增加了波導(dǎo)端口處模場與光纖模場的交疊,而且狹縫端口處的有效折射率與標(biāo)準(zhǔn)光纖的有效折射率達(dá)到了很好的匹配,進(jìn)而有效地降低了耦合損耗。2004年,美國Cornell大學(xué)研究小組首先提出一種新穎的狹縫式波導(dǎo)結(jié)構(gòu),引起了學(xué)術(shù)界的轟動。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所的Liu等在2007年通過模擬分析得到狹縫式模斑轉(zhuǎn)換器的損耗理論計算值為1.8dB,如圖5所示。從2008年至今,新加坡微電子研究院致力于狹縫式耦合器的實驗研究,在光纖和氮化硅波導(dǎo)的耦合實驗中引入了該模斑轉(zhuǎn)換器。雖然其尺寸小,耦合效率高,同樣,它也具有偏振相關(guān)性高且工藝難度較大的缺點。3.2平板突出導(dǎo)電耦合透鏡(或棱鏡)的作用在于引入合適入射角的光波,使其在平板波導(dǎo)的導(dǎo)波層上下介質(zhì)界面處發(fā)生全反射并達(dá)到相位匹配,從而達(dá)到與線波導(dǎo)的高效率耦合。透鏡耦合器通常包括兩類:普通棱鏡耦合器和折射率漸變棱透耦合器。3.2.1不同耦合器性能分析2004年,美國Delaware大學(xué)的Lu等結(jié)合棱鏡和垂直楔形耦合器的優(yōu)點,制造出了棱鏡耦合器,如圖6所示。該耦合器為器件平面集成帶來很大的靈活性,且實驗得到的耦合效率為70%。該耦合器的顯著優(yōu)點是應(yīng)用靈活,制作簡單,對準(zhǔn)方便,耦合效率高,3dB帶寬較寬。但該耦合方法需要將棱鏡放在距離波導(dǎo)表面很近的地方,很容易損壞波導(dǎo),且對偏振光比較敏感。3.2.2單層gran透鏡2005年,加拿大微結(jié)構(gòu)研究所的Janz等研制出漸變折射率(GRIN)透鏡耦合器,此后該結(jié)構(gòu)被廣泛地應(yīng)用在集成波導(dǎo)與光纖的耦合中。新加坡數(shù)據(jù)儲存研究所Loh團(tuán)隊在該領(lǐng)域的研究中處于領(lǐng)先地位,他們在拉錐波導(dǎo)末端制造出單層GRIN透鏡結(jié)構(gòu),如圖7所示。研究結(jié)果表明,當(dāng)GRIN透鏡的折射率為連續(xù)曲線型分布時,選用高斯型折射率分布比拋物線型的畸變小,并且可以減小波導(dǎo)的數(shù)值孔徑。這種耦合器的優(yōu)點體現(xiàn)在耦合效率高(78%),光刻工藝相對簡單。但這種單層棱鏡結(jié)構(gòu)對輸入光的模式要求高,且對準(zhǔn)容差小。針對上述單層棱鏡結(jié)構(gòu)的缺點,2010年新加坡數(shù)據(jù)儲存研究所將透鏡的材料由一種發(fā)展為兩種,并通過特殊工藝實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu),如圖8所示。這兩種材料的高折射率差使得通過透鏡后垂直方向的模斑尺寸更接近光纖中的模斑尺寸,因此,透鏡與光纖的橫向?qū)?zhǔn)容差也會很大。然而多層耦合器的缺點是難于集成。3.3過光柵衍射作用光柵耦合器是一種非常有前途的耦合器,通過光柵的衍射作用可以把波導(dǎo)中的光有效地耦合進(jìn)光纖,提高耦合效率。按照光束傳輸方向可分為垂直耦合結(jié)構(gòu)和平行耦合結(jié)構(gòu)。3.3.1光柵耦合器的研制從2002年比利時Ghent大學(xué)研究人員首次提出在SOI上制作易于集成的垂直光柵耦合器起,近年來垂直型光柵耦合器得到了很大的關(guān)注。垂直型光柵耦合器的特點是光在傳輸過程中傳輸方向改變了90°,利用制作在波導(dǎo)表面的衍射光柵結(jié)構(gòu)將垂直于波導(dǎo)表面入射的光衍射進(jìn)寬平面波導(dǎo)中,光再經(jīng)過模斑變換器進(jìn)入小尺寸波導(dǎo)。2000年,英國Surrey大學(xué)Ang等制作的垂直光柵耦合器的光柵結(jié)構(gòu)長達(dá)幾百微米,而且該結(jié)構(gòu)的耦合效率低,帶寬很窄,因此在實際使用中意義不大。2002年,比利時Ghent大學(xué)Taillaert等最先研制出短光柵耦合器,用于單模光纖和GaAs-AlOx波導(dǎo)的垂直耦合。經(jīng)過進(jìn)一步設(shè)計,他們于2005年制作出如圖9所示的長度僅為10μm的短光柵結(jié)構(gòu)耦合器,其中將光纖傾斜8°~10°放置的目的是避免光經(jīng)過光柵時向線波導(dǎo)方向的二階反射。相對于長光柵耦合器來說,短光柵耦合器的優(yōu)點在于不需要設(shè)計一個聚焦棱鏡結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)更為緊湊,便于制作和封裝,而且能夠與標(biāo)準(zhǔn)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝兼容,帶寬也得到了很大的提高。光束經(jīng)過該光柵后向四個方向傳輸:向上衍射、向襯底衍射、向后反射及通過光柵向前透射,其中向上衍射的能量直接決定了光柵耦合器的耦合效率。在圖9所示的結(jié)構(gòu)中,由于向上衍射的能量較小,實驗測得耦合效率只有33%。為了提高光柵向上的衍射能量,2006年Ghent大學(xué)的Roelkens等提出一種新結(jié)構(gòu),在原來的光柵結(jié)構(gòu)上面覆蓋一層多晶硅,如圖10所示。多晶硅層改變了光柵的衍射特性,使向襯底衍射的光干涉減弱而向上衍射的光干涉增強(qiáng),提高了耦合效率,實驗結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的耦合器耦合效率為55%。除了通過改變光柵結(jié)構(gòu)來提高耦合效率外,還可以采用增加對襯底衍射光反射的方法。2007年,Ghent大學(xué)的研究人員又提出一種新模型:在光柵下加入金屬反射鏡,實驗測試得該模型的最大耦合效率為69%。其缺點是引入一個金屬反射鏡大大增加了工藝的難度,無法與CMOS工藝兼容。為了克服制作工藝復(fù)雜的缺陷,他們利用改進(jìn)的聚焦離子束技術(shù)制造出與CMOS工藝兼容的斜光柵耦合器,其結(jié)構(gòu)如圖11所示。實驗測得耦合效率為46%,實驗與模擬耦合效率之間存在較大差值,有望通過進(jìn)一步改善工藝條件來縮小差距。在上述垂直光柵耦合器中,光纖與波導(dǎo)表面的垂線均有8°~10°的傾斜角。為了實現(xiàn)光路的對中,又要避免二階反射,2007年Ghent大學(xué)研究人員提出了一種光纖與波導(dǎo)表面完全垂直耦合的耦合器,被稱為狹縫結(jié)構(gòu)的光柵耦合器,如圖12所示。正是由于這條狹縫的存在,使得二階反射的光被狹縫反射回去再次被光柵衍射,大大減少了二階反射對耦合效率的影響。理論計算表明,該耦合器的耦合效率為80%。但其缺點是光刻的工藝難度較大。為了克服上述工藝上的難度,2008年他們又提出一種用于垂直光纖和波導(dǎo)的新型耦合方案,即在完全垂直放置的光纖接觸面上附著上有一定傾角(10°左右)的聚合物材料。該方法等價于將光線傾斜放置的情況,缺點是耦合效率較低。在國內(nèi),有關(guān)垂直型光柵耦合器的研究相對集中在香港中文大學(xué)。2008~2009年,該大學(xué)的T研究團(tuán)隊致力于建立啁啾光柵模型[41~44],即將普通光柵改為由啁啾光柵和均勻周期光柵兩部分組成,然而得到的耦合效率和帶寬均不理想。針對耦合效率這一指標(biāo),2010年他們在Ghent大學(xué)提出的短光柵耦合器的基礎(chǔ)上,增加頂層硅厚度和光柵刻蝕深度,得到耦合效率隨之增加至46%。又針對帶寬這一指標(biāo),于2011年提出一種新型的光柵耦合器,如圖13所示,即將光柵做成陣列形狀。當(dāng)光柵中模式的有效折射率與SiO2的折射率相近時,1dB帶寬可以達(dá)到100nm,是目前帶寬的最大值。3.3.2si3n4微膠囊的模擬2003~2005年,英國Surrey大學(xué)的研究小組致力于研發(fā)水平光柵耦合器[48~51],其特點是光一直沿水平方向傳輸,如圖14所示。該耦合器由雙光柵組成,光纖與頂層SiON直接對接,然后用第一個光柵把光耦合進(jìn)Si3N4過渡層,用第二個光柵把光耦合進(jìn)較薄的SOI層。實驗測得該耦合器是偏振無關(guān)的,且耦合效率為55%,是目前報道的與小尺寸波導(dǎo)耦合最有效的水平光柵耦合器。該結(jié)構(gòu)也存在一些缺點需要進(jìn)一步改進(jìn):耦合帶寬相當(dāng)窄,希望通過光柵啁啾和改變占空比來增加帶寬;從制作上來說,多層結(jié)構(gòu)的生長以及在小尺