硅基亞波長光柵波導(dǎo)在微波光子學(xué)中的應(yīng)用

王俊嘉，房崇寶，Lawrence R Chen

（1.東南大學(xué)光傳感通信綜合網(wǎng)絡(luò)國家地方聯(lián)合工程研究中心，江蘇南京 210096；2.麥吉爾大學(xué)電子工程系，加拿大蒙特利爾 H3A 0E9）

1 引言

微波光子學(xué)是微波（射頻）技術(shù)和光子技術(shù)的融合產(chǎn)物［1，2］.它的基本原理是利用光電子器件如光學(xué)濾波器、光學(xué)延遲線、電光調(diào)制器、光電探測器等基本元件，通過組合來完成對微波信號的產(chǎn)生、處理和傳輸.隨著電子信息系統(tǒng)向?qū)拵Щ?、陣列化和小型化不斷發(fā)展，微波光子技術(shù)由于具有光子技術(shù)大帶寬與速度快的優(yōu)點，成為解決電子系統(tǒng)面臨的速率和帶寬瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一.微波光子學(xué)中對微波信號的處理包括了微波信號的延遲、相移、濾波和頻率測量等微波系統(tǒng)中常見的功能.為了達(dá)到減小系統(tǒng)尺寸、降低損耗、實現(xiàn)功能可編程及可重構(gòu)的目的，人們將傳統(tǒng)的微波光子學(xué)中多個光電器件集成到了單個芯片上.目前在微波光子集成領(lǐng)域國內(nèi)外已經(jīng)有了諸多成果和解決方案［3～10］.

硅基亞波長光柵波導(dǎo)，是由間距小于波長的周期性排布的波導(dǎo)構(gòu)成［11～20］.亞波長周期結(jié)構(gòu)使得衍射和折射表現(xiàn)得像均勻介質(zhì)一樣，其支持的Bloch?？赏ㄟ^周期波導(dǎo)傳播，而不會產(chǎn)生由衍射或包層模式引起的損耗.亞波長光柵波導(dǎo)展示了寬帶寬、高耦合效率等優(yōu)點［21～24］，基于這些優(yōu)點的器件與裝置已被設(shè)計和演示，包括耦合器［25］、偏振器［26］、偏振分束器［27］等.硅基亞波長光柵波導(dǎo)另一個重要優(yōu)點是它們允許靈活地控制復(fù)合波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)，基于該優(yōu)點所設(shè)計出的器件與裝置包括布拉格光柵諧振腔［11，28，29］、微環(huán)諧振腔［18，20］、真延遲線［30，31］等.這些器件可在光域內(nèi)對微波信號進(jìn)行處理，可應(yīng)用于集成微波光子系統(tǒng)中.

本文將對基于亞波長光柵波導(dǎo)的微波光子器件的一些研究進(jìn)展進(jìn)行探討.在2.1節(jié)中介紹集成微波光子學(xué)中的亞波長光柵；在2.2節(jié)中將介紹亞波長光柵的原理；在2.3節(jié)中將介紹基于亞波長光柵的布拉格光柵濾波器；在2.4節(jié)中將介紹基于亞波長光柵微環(huán)的諧振腔和調(diào)制器；在2.5節(jié)中主要介紹基于亞波長光柵波導(dǎo)的光學(xué)延遲線.最后進(jìn)行總結(jié)與展望.

2 原理與應(yīng)用

2.1 集成微波光子學(xué)中的亞波長光柵

集成微波光子系統(tǒng)一般由光源、光調(diào)制器、光信號處理器和光電探測器構(gòu)成，如圖1所示［4］.入射射頻信號通過光調(diào)制器加載至光信號的邊帶，通過信號處理器加工或者修改邊帶的頻譜特性，并由光學(xué)探測器通過拍頻轉(zhuǎn)換至射頻信號.這一套系統(tǒng)具有天線重構(gòu)、射頻光子濾波、延遲、移相、光波束形成、任意波形產(chǎn)生、頻率上下轉(zhuǎn)換、微波信號產(chǎn)生和頻率測量等功能.基于亞波長光柵寬帶寬、高耦合效率、折射率可控等優(yōu)點，亞 波 長 光 柵 可 用 于 實 現(xiàn) 光 源 的 耦 合［32～35］，光 調(diào) 制器［36，37］，信號處理中的濾波、延遲、波束形成等功能.本文著重討論亞波長光柵調(diào)制、濾波和延遲.

圖1 集成微波光子系統(tǒng)示意圖

2.2 亞波長光柵原理

一般情況下，一維周期結(jié)構(gòu)包括折射率分別為n1和n2的平板介質(zhì)，可以被用作衍射光柵.Rytov發(fā)現(xiàn)［38］，當(dāng)光柵周期遠(yuǎn)小于光的波長時，亞波長光柵在光學(xué)范疇內(nèi)會等價于一個垂直于層的單軸晶體，如圖2（a）所示.光柵結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系如圖2（b）所示：當(dāng)頻率在輻射區(qū)域，光波經(jīng)過光柵被散射到外界；當(dāng)頻率在布拉格反射區(qū)域，依然沒有導(dǎo)波模式存在，光波由于反射損耗指數(shù)型增加；當(dāng)頻率在亞波長區(qū)域，周期性的波導(dǎo)可以支持Floquet-Bloch模無損傳輸，其對應(yīng)模場分布如圖2（c）所示［39］.入射在光柵上的光具有平行或垂直于周期性結(jié)構(gòu)的電場偏振，并且相應(yīng)的等效折射率分別為

圖2 亞波長光柵原理圖[43]

這里a是材料折射率為n1的平板介質(zhì)的寬度，Λ是光柵的周期，λ是光波長.這種將光柵結(jié)構(gòu)視為等效均勻材料的處理方法也被稱為有效介質(zhì)理論［40，41］.值得注意的是，等效結(jié)構(gòu)的折射率是偏振敏感的.亞波長光柵結(jié)構(gòu)的原理已被揭示，亞波長光柵在集成光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在過去的幾年里受到廣泛關(guān)注［42，43］.

在通信波段的亞波長光柵結(jié)構(gòu)，周期需要滿足的條件為Λ＜ΛBragg≈300 nm，正好在電子束光刻和深紫外光刻條件范圍內(nèi).由于在更長的波長條件下，對尺寸的限制條件更低，因此亞波長光柵結(jié)構(gòu)也可被應(yīng)用于中紅外光范圍［44，45］.目前，硅基亞波長光柵波導(dǎo)可以通過周期性排列硅和二氧化硅來實現(xiàn).為了配合CMOS工藝，亞波長光柵波導(dǎo)高度一般為220 nm，氧化硅掩埋層為2～3 μm，被2 μm的氧化硅包層所覆蓋［46］.亞波長光柵波導(dǎo)的小尺寸、結(jié)構(gòu)簡單、低非線性［47］、易于加工、易于集成等優(yōu)勢和硅成熟的工藝平臺結(jié)合為高性能光電器件提供了良好的支持.

2.3 基于亞波長光柵的布拉格光柵濾波器

布拉格光柵是應(yīng)用于微波光子信號處理系統(tǒng)的常用設(shè)備，提供濾波、分插復(fù)用以及色散補償?shù)裙δ?布拉格光柵基于折射率的周期性變化，因此布拉格光柵可以通過折射率可調(diào)的亞波長光柵波導(dǎo)構(gòu)成.

Wang等人［11］基于絕緣硅平臺設(shè)計了亞波長光柵布拉格光柵，他們利用交錯的2個亞波長光柵波導(dǎo)形成布拉格光柵.他們定義2個亞波長光柵波導(dǎo)的占空比分別為D1=a Λ1，D2=a Λ2，所以亞波長光柵布拉格光柵的周期變成了Λ1+Λ2，通過改變這2個亞波長光柵波導(dǎo)的占空比，可以得到有效折射率的周期變化并因此可以獲得布拉格反射，如圖3所示.本文通過仿真證明隨著占空比D2的變大，布拉格波長以及不同Bloch模式下的光柵折射率都在變大.

圖3 亞波長光柵布拉格光柵圖[11]

Pereira-Martín等人［48］隨后提出了一種基于包層調(diào)制亞波長光柵的復(fù)雜光譜濾波器，結(jié)構(gòu)如圖4（a）和（b）所示.本文研究了2種邊帶調(diào)制亞波長光柵結(jié)構(gòu)，一種是硅波導(dǎo)芯，另一種是亞波長光柵波導(dǎo)芯，測試結(jié)果如圖4（c）和（d）所示.這項工作基于先前提出的亞波長光柵布拉格光柵，同時加入邊帶實現(xiàn)精細(xì)調(diào)控可用作任意光譜濾波器，為后續(xù)集成頻譜整形和任意波形產(chǎn)生提供了新方案.

圖4 基于包層調(diào)制亞波長光柵的復(fù)雜光譜濾波器[48]

表1總結(jié)了基于亞波長光柵布拉格光柵濾波器的部分成果［48～50］.由表1可以看出，目前亞波長光柵布拉格光柵濾波器的品質(zhì)因子達(dá)到了105級別，線寬達(dá)到10.97 pm，優(yōu)于傳統(tǒng)硅基布拉格光柵，后續(xù)想要進(jìn)一步提高，需要在材料和工藝方面尋求突破.

表1 亞波長布拉格光柵濾波器相關(guān)成果

2.4 亞波長光柵微環(huán)諧振腔和調(diào)制器

除了布拉格光柵，環(huán)形諧振腔也可以實現(xiàn)濾波和色散補償?shù)裙δ?亞波長光柵波導(dǎo)可直接構(gòu)成亞波長光柵環(huán)形諧振腔.圖5（a）為Wang等人［11］提出的亞波長光柵環(huán)形諧振腔的示意圖.其中環(huán)形波導(dǎo)和直波導(dǎo)的間隙g為640 nm，亞波長光柵波導(dǎo)的周期Λ為300 nm.圖5（b）是2.5D FDTD仿真的電場分布結(jié)果，可以看出亞波長環(huán)形諧振腔的工作原理與傳統(tǒng)環(huán)形諧振器類似，即光耦合到腔中并在腔中循環(huán)，區(qū)別在于模式的不同.亞波長光柵在波導(dǎo)和環(huán)的區(qū)域內(nèi)都是Bloch模.制備出的亞波長光柵環(huán)形諧振腔如圖5（c）所示.圖5（d）～（f）顯示了具有不同環(huán)半徑的亞波長光柵環(huán)形諧振腔的實驗結(jié)果，并在表2中總結(jié)了這些結(jié)果.從表2可知，較大的環(huán)導(dǎo)致較小的自由光譜范圍（FSR）.諧振峰的品質(zhì)因子Q值（定義為λ0/Δλ，其中λ0是諧振的中心波長，Δλ是相應(yīng)的3 dB帶寬）和消光比（ER）取決于損耗，而損耗取決于亞波長光柵波導(dǎo)的占空比和彎曲半徑.為了進(jìn)一步改善消光比，Wang等人設(shè)計了跑道型亞波長光柵環(huán)形諧振腔，最后得到了33 dB的消光比，詳見文獻(xiàn)［51］.

圖5 亞波長光柵微環(huán)諧振腔和調(diào)制器[11]

表2 不同半徑的亞波長光柵微環(huán)諧振腔

為了進(jìn)一步提高品質(zhì)因子，Wang等人［52］提出了梯形硅柱形成的不對稱結(jié)構(gòu)，如圖6所示.該結(jié)構(gòu)利用了梯形硅柱的結(jié)構(gòu)可有效控制傳播模場，增加內(nèi)環(huán)模場分量，從而可以顯著降低外環(huán)彎曲損耗.該結(jié)構(gòu)代替了傳統(tǒng)的矩形硅柱制備出了半徑為5 μm的亞波長光柵環(huán)形諧振腔，將傳輸損耗大幅降低到6.07 dB/cm，使其Q值最高達(dá)到45 000.

圖6 梯形硅柱形成的不對稱結(jié)構(gòu)[52]

基于亞波長光柵環(huán)形諧振腔，Pan等人［53］提出了一種電光聚合物滲透的高速調(diào)制器，如圖7所示.亞波長光柵波導(dǎo)的Bloch模式與電光聚合物大面積重疊，優(yōu)化后可達(dá)到36.2%.該調(diào)制器的3 dB調(diào)制帶寬大于40 GHz，能耗低于26 fJ/bit，為硅基調(diào)制器提供了新方案.

圖7 電光聚合物滲透的高速調(diào)制器[53]

目前亞波長光柵環(huán)形諧振腔的品質(zhì)因子高于布拉格光柵，同時具備高速可調(diào)諧特性.通過此類濾波器/調(diào)制器進(jìn)行頻譜整形，可在光域中進(jìn)行信號處理，從而獲得低損耗、高帶寬、不受電磁干擾的微波信號.

2.5 亞波長光柵延遲線

光學(xué)延遲線是集成微波光子信號處理的重要模塊，被廣泛應(yīng)用于移相控制中.高延遲、連續(xù)可調(diào)諧、較寬的運行帶寬以及低損耗都是光學(xué)延遲線的重要需求［54］.

Wang等人［30］提出了基于亞波長光柵不同有效折射率、相同長度波導(dǎo)陣列的集成光學(xué)真延遲線，如圖8所示.該器件相比于傳統(tǒng)波長可變延遲線具有更大的運行帶寬，超過幾十太赫茲，可以用于超寬帶寬光信號.如圖8（e）所示，觀察到的光譜具有9 nm的周期性特征，對應(yīng)于9 ps的時間延遲增量.為了進(jìn)一步證實研究時間延遲的增量，Wang等人在Mach-Zehnder干涉儀每個臂上設(shè)有不同占空比的亞波長光柵波導(dǎo)（圖8（e））.通過測量光譜響應(yīng)，可證實亞波長光柵延遲線可獲得亞皮秒的分辨率.該工作給硅基延遲線的發(fā)展提供了新思路.

圖8 集成光學(xué)真延遲線[30]

Sun等人［55］提出了一種基于亞波長光柵啁啾布拉格光柵做成的光學(xué)延遲線.其通過串聯(lián)10個亞波長光柵布拉格光柵形成了階梯式啁啾來實現(xiàn)延遲線，如圖9所示.與先前的結(jié)構(gòu)相比，該設(shè)計可以通過調(diào)節(jié)負(fù)載部分的間隙來控制帶寬和布拉格波長.該器件測試得出6 ps的步進(jìn)延遲和41.7 nm的總帶寬以及60 ps的總延遲，結(jié)果如圖9（b）和圖9（c）所示.該研究中所設(shè)計出的亞波長光柵啁啾布拉格光柵光學(xué)延遲線在運行帶寬和延遲范圍之間取得了較好的平衡.同時該研究也展示了典型應(yīng)用示范，即相控陣天線的光波束形成，如圖9（d）所示.同時，該課題組的Wang等人［56］設(shè)計了一種基于亞波長光柵波導(dǎo)且折射率可變的光學(xué)延遲線.該設(shè)計利用彎曲的結(jié)構(gòu)節(jié)省了空間，在緊湊的空間內(nèi)實現(xiàn)了高延遲性能.

圖9 基于亞波長光柵啁啾布拉格光柵做成的光學(xué)延遲線[55]

3 結(jié)論與展望

本文主要介紹了集成微波光子學(xué)中的硅基亞波長光柵波導(dǎo)濾波器、調(diào)制器和光學(xué)延遲線.對于濾波器，這里主要介紹了亞波長布拉格光柵以及亞波長光柵環(huán)形諧振腔2種亞波長光柵濾波器.亞波長光柵布拉格光柵通過改變其占空比或邊帶形貌來調(diào)整布拉格波長和線寬；亞波長光柵環(huán)形諧振腔亦是通過占空比和形貌等參數(shù)優(yōu)化以獲得較高的品質(zhì)因子；基于亞波長光柵環(huán)形諧振腔滲入光學(xué)聚合物可形成高速光調(diào)制器；而光學(xué)延遲線，則是通過改變其亞波長光柵波導(dǎo)的占空比和形貌來控制時間延遲，以獲得自由度更高的調(diào)控.

與傳統(tǒng)的硅基集成微波光子學(xué)中的濾波器、調(diào)制器和光學(xué)延遲線相比，由硅基亞波長光柵波導(dǎo)構(gòu)成的濾波器、調(diào)制器和光學(xué)延遲線具有更靈活、更高可調(diào)諧性和理論上更低損耗等特性.雖然硅基亞波長光柵波導(dǎo)的優(yōu)勢十分明顯，但仍有不足.亞波長光柵波導(dǎo)在制備工藝、結(jié)構(gòu)、材料、尺寸等方面仍需優(yōu)化.在制備工藝方面，現(xiàn)有工作大部分依賴電子束曝光，未來需要進(jìn)一步結(jié)合CMOS工藝平臺參數(shù)，設(shè)計合理的器件建構(gòu)，例如使用邊帶調(diào)制，從而實現(xiàn)系統(tǒng)級集成微波光子應(yīng)用.在材料方面，絕緣硅并非唯一選擇，未來可以考慮氮化硅、鈮酸鋰等材料.

硅基亞波長光柵波導(dǎo)構(gòu)成的濾波器和光學(xué)延遲線還在不斷發(fā)展中，相信在不久的將來，硅基亞波長光柵波導(dǎo)在微波光子學(xué)中的應(yīng)用會更加廣泛，由其構(gòu)成的微波光子器件的性能也會變得越來越好.