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紧凑的可调谐氮化硅布拉格光栅滤光片
关键词
光学聚合物，氮化硅波导，布拉格光栅，可调滤光片
摘要
研究、制造和分析了一系列基于在聚合物中的氮化硅波导布拉格光栅的可调滤波器。光栅通过波导被完全蚀刻，以提高短光栅长度下的最大反射率。 当三阶光栅的长度在16mm至160mm之间变化时，反射率可达到1％至70％。 实验结果与数值模拟吻合良好。 由于其紧凑的尺寸和聚合物的热优势，可以通过掩埋在下面的微型加热器非常有效地调整滤波器。 在仅22 mW的热功率下，显示了34.5 nm的调谐范围。
copy; 2014 Elsevier B.V. 版权所有
1. 简介
在光通信网络的骨干网中，非常需要低成本和高能效的可调滤波器。 除波长（解复用）外，可调滤波器还广泛用作可调激光器中的波长选择器和布拉格反射器。 在各种集成平台上都研究了紧凑型光学滤波器，包括二氧化硅平面光波电路（PLC）[1]，绝缘体上硅（SOI）[2,3]和磷化铟整体平台[4-6]。 多年来，光学聚合物已经成熟并被证明可以形成用于混合光子集成的可行波导平台[7,8]。随后，已经报道了聚合物平台上的各种滤光片和可调激光器[9-11]。 聚合物材料通常具有相当高的热光系数，范围为1至3104 K1，并且它们还具有非常低的导热率。 这意味着在热能最终消散到散热器之前，可以将其限制相对较长的时间。 可以在该平台上理想地实现高功率效率的热可调设备。 然而，大多数聚合物波导仅具有弱的折射率对比度，受到合成复杂性和材料相容性的限制仅为百分之几。 为了增加波导折射率的对比度，减少器件的占位面积，并拓宽设计选择范围，将氮化硅（SiNx）引入了聚合物平台[12]。低损耗的异质SiNx /聚合物波导和相关的可调滤波器已得到证明[13,14]。 先前报告的滤波器仅基于弱空间调制的光栅结构，即SiNx的侧壁波导纤芯会受到轻微干扰，从而引入周期性折射率变化。 这不可避免地导致用于特定的高峰值反射率的相当庞大的设备。 在这项工作中，我们通过完全破坏波导部分来引入强耦合光栅结构。 我们通过数值和实验表明，通过改变光栅长度可以实现一系列反射率和带宽。 在160 mm的光栅长度下，可以实现大于70％的反射率，比以前报道的反射率短一个数量级[12]。在某些设计中，较宽的带宽还可用于带通滤波器和粗波长选择器[15,16]。 使用光栅下面的埋入式加热器，可以有效地调整滤波器曲线。 减少的光栅长度导致大大提高的热调谐效率。
图 1 聚合物中掩埋的SiNx波导光栅和金属加热器电极的示意图。
（a）剖视图； （b）示出了完全蚀刻的光栅结构的侧视图。
2. 波导属性
聚合物中掩埋的SiNx波导的横截面如图1（a）所示。 SiNx核的宽度为几微米，而单模操作的厚度则保持在几百纳米以下。 嵌入下面的微型加热器可以有效地在波导模式区域[12]周围产生均匀的加热条件。 波导两侧的其他空气沟槽进一步限制了热量并提高了调谐效率。 如图1（b）所示，部分波导段被完全蚀刻并填充有聚合物包层，以形成牢固耦合的光栅结构。通过低温等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积的SiNx材料在1550 nm处的折射率为1.83。聚合物包层的折射率为1.45。波导模式由商用软件FIMMWAVE研究，结果总结在图2中。对于TE和TM极化，单模边界在图2（a）和（c）中分别标记为黑色虚线。当波导厚度增加时，有效折射率（neff）和模式限制因子（Gamma;）迅速增加。可以看到TE模式和TM模式之间有明显的区别，TM模式总是局限性较小，neff较低。例如，2 mm 200 nm的结构可提供相对较好的局限性，但仍为单个TE模式，Gamma;为30％，而对于TM模式，该值迅速下降至10％。
图 2 聚合物中掩埋的SiNx波导光栅和金属加热器电极的示意图。
（a）剖视图； （b）示出了完全蚀刻的光栅结构的侧视图。
图 3 关于波导几何形状的模式属性。
水平轴表示波导的宽度，图例表示波导的厚度，均以微米为单位。
（a）TE模式的有效指数和（b）模式限制因子。
（c）TM模式的有效指数和（d）模式限制因子。
图3. 3 mm 125 nm的掩埋SiNx波导的（a）TE模式和（b）TM模式场分布。布拉格光栅的热调谐可以表示为
，
其中，Delta;lambda;是波长调谐，Lambda;是光栅周期，M是光栅阶数。相对于温度变化的有效指数变化可以写成
，
本研究中使用的特定聚合物的热光系数（TOC）经测量为，对于SiNx，该值确定为。具有较高和较大Gamma;的波导通常会导致设备更紧凑。但是，由于聚合物和SiNx材料的TOC具有相反的符号，因此最好在包层中保留大量的光。以此方式，聚合物的热光特性占主导地位，并且可以实现功率有效的热调谐。应该在模式限制和波长可调性之间取得良好的平衡。作为折衷方案，本研究中的波导结构选择为3 mu;m* 125 nm。相应的主模式场分布如图3所示。TE模式场直径在水平方向上延伸至3.0 mm，在垂直方向上延伸至1.5 mm，而对于TM模式，其值分别为3.9 mm和2.8 mm 。当光栅阶数为偶数时，光栅起布拉格反射器的作用。为了通过常规光刻进行图案化，本研究考虑了三阶光栅。对于1550 nm的光栅中心波长，计算出的周期为1600 nm。由于TE模式表现出更高的neff和更大的Gamma;，因此可以期待更高的峰值反射率。另外，当在激光腔中用作可调反射镜时，TE通常是首选的偏振。因此，尽管设计原理也适用于TM模式，但我们将TE模式作为概念证明。取nefffrac14;1.4699和Gamma;frac14;14.5％的等式。 （2），然后计算出TE模式的有效TOC为9.0 105 K1。波导的热光行为类似于纯聚合物波导，其TOC略有降低。从等式（1），当模式区域周围的温度升高时，预计光栅光谱会发生蓝移。金属加热器放置在SiNx磁芯下方3 mm处。该距离处的模式场（Ex）已降至其中心峰值的5％以下。然后，加热器可以提供有效的加热而不会引起过多的光吸收。
3. 设备制造
使用可商购获得的聚合物（ChemOptics Inc.的ZPU-12系列）作为包覆材料。 首先在硅晶片上固化一层20毫米厚的聚合物。 包含Ti和Au的加热电极通过剥离工艺构造在覆层上。 在电极的顶部添加另一个3毫米厚的聚合物层后，在100 1C下使用纯SiH4和NH4气体通过PECVD沉积SiNx芯层。 然后使用常规的光刻技术（掩模对准器：Karl Suss MA6）和随后的反应性离子蚀刻（在1.5 Pa和150 W下20 sccm 纯CHF3）对SiNx进行结构化。 创建一个5毫米厚的聚合物层作为上覆层。 最后，蚀刻深空气沟槽以提供额外的热缓冲，并露出用于电接触的金属焊盘。
图 4 （a）设备的显微图像； （b）SiNx布拉格光栅的详细视图。
图4（a）示出了该装置的显微图像。埋入式加热器宽10毫米，长250毫米。电极的两侧都旋转901并连接到80 mm 80 mm方形焊盘。在焊盘的中间刻有圆形开口，用于引线键合和电接触。波导对称地位于电极顶部，具有设计的3毫米厚的包层缓冲器。如图4（b）所示，在波导的中间部分蚀刻光栅。光栅周期保持为1.6mm，并且在光刻掩模上仅周期数即光栅长度变化。加热器，空气沟槽和波导结构保持相同，以便于表征。仅使用不同的光栅长度相应地调整访问波导的长度。值得注意的是，所选聚合物材料的降解温度为300 1C。在此温度以下，可通过PECVD沉积低损耗非晶硅[17]。在1550 nm的光学透明材料中，非晶硅（3.6）的折射率最高。未来的工作可能包括使用非晶硅作为掩埋在聚合物中的核心材料的极小占地面积的光子器件。另外，还可以通过溅射来沉积SiNx。可以通过单个剥离工艺容易地创建波导，而无需任何蚀刻。然后可以进一步降低制造成本。以相同的方式，可以将各种高折射率材料（例如TiO2和Ta2O5）嵌入聚合物中，以使器件功能多样化。
4.过滤器特性
由于本研究中的光栅是完全从波导中蚀刻出来的，因此基于弱耦合假设的摄动理论不再准确[18]。然后通过二维有限差分时域（FDTD）仿真对光栅进行数值研究。光栅周期设置为1.6 mm，占空比（未蚀刻和蚀刻时间之间的比率）保持50％。周期数（NP）从10到100变化，即光栅长度从16mm到160mm。模拟的滤波器光谱如图5（a）所示。随着NP从10增加到100，光栅带宽从36 nm迅速下降到6.9 nm，而峰值反射率从4％增加到82％。模拟结构被制造并准备用于表征。来自宽带可调谐激光源的光通过标准单模光纤通过偏振控制器射入波导。输入光的偏振态已仔细调整为TE方向。向后反射的光由同一根光纤收集，由光循环器分隔并馈入光谱分析仪。折射率匹配油被应用到波导/光纤界面，以抑制法布里-珀罗效应并促进耦合过程。
图 5 图5.随着周期数从10增加到100，（a）模拟和（b）测量的布拉格光栅反射光谱。
波导显示出0.96 dB / cm的平均传播损耗[12]。对于TE模式，埋入电极会导致小于0.1 dB / cm的额外传播损耗。相对于相同长度的不受干扰的参考波导的插入损耗，将测得的背向反射归一化。图5（b）总结了测量数据。尽管中心波长从目标1550 nm移至1556 nm附近，但结果与模拟的预测结果非常相似。主要原因是在制造过程中，光栅占空比略有下降，也就是说，显影后光刻胶轮廓的底切会留下未蚀刻的SiNx区域，其长度大于光栅周期的一半，从而导致占空比的改变略大于50 ％。然后增加了光栅区域的总有效折射率，导致光谱发生红移。在第二次设计迭代中可以很好地补偿这种影响。在图6中可以看到反射率和带宽的详细比较。测得的峰值反射率始终较小。例如，在NPfrac14;100，该值为71％，而不是预先确定的82％，这又可归因于光栅占空比的变化。另一方面，带宽（BW）与模拟几乎完全匹配。在较大的NP下，测得的带宽甚至稍窄。在NPfrac14;100处，测量值为6.3 nm，而不是模拟的6.9 nm。 FDTD中的非最佳参数设置可以很好地理解这一点，例如二维SiNx平板的有效索引，网格大小和时间步数。
5.热调节
在先前的研究中已经进行了详细的热模拟，重点是通过波导交叉中的足够热缓冲来提高加热效率。
图 6 FDTD仿真和测量数据之间的比较。 （a）峰值反射率和（b）光栅的带宽。
图 7 用微加热器对布拉格光栅（NPfrac14;30）进行波长调谐。
但是，绝对调谐功率也由实际的加热器电极尺寸确定。在这项研究中，电极的长度固定为250毫米，该值是以前工作的5-6倍[12,19]。预期调谐效率会大大提高。由于光栅周期的数量不会改变热光学行为，如等式1所示。 （1），并且加热器电极/空气沟槽的设计相同，所有NP变体的热调谐行为应保持几乎相同。作为演示器，选择了NPfrac14;30，调谐结果显示在图7中。当加热器功率从0 mW提高到22 mW时，布拉格滤光片的中心波长在34.5 nm范围内从1556 nm连续位移到1521.5。观察到nm。尽管光栅本身保持完好无损，但电极故障会阻止进一步的调谐。光栅区域中的温度变化可以使用等式计算。 （1）。假设环境温度为25 1C，则对于34.5 nm波长调谐，本地温度将升高至389 1C。尽管该温度已经超过聚合物材料的降解温度300 1C，但该材料不会突然“分解”。降解是相当缓慢的老化效果。该设备已经过反复表征，可用于实验室演示，而无需进行明显更改。但就长期稳定性而言，应将波长调谐范围保持在26 nm（Delta;Tfrac14;2751C）以下，以防止聚合物因热引起的老化。波长偏移与加热功率保持线性关系，并获得1.57 nm / mW的调谐效率。据我们所知，这种效率记录了热可调滤波器文献中报道的最高值[9-13,19]。与[12]中的结果相比，效率提高了6倍，其中以225 mW的调谐功率（0.24 nm / mW）为代价证明了57 nm的调谐范围，证明了设备紧凑在高度设计中的重要性高效的热可调设备。
6. 结论
总之，研究、制造和分析了一系列基于聚合物中氮化硅波导的可调布拉格光栅滤波器。光栅区段被完全蚀刻以形成紧凑的结构。通过改变光栅长度，可以选择反射率和带宽。大大缩短的结构为高效的热调节铺平了道路。实现了创纪录的1.57 nm / mW的调谐效率。结果可能会影响电信应用中新型滤波器和可调激光器的设计。这项工作还证明了将无机材料掺入聚合物中作为波导的可能性。通过模式工程，可以利用所选聚合物以及无机核的特性。未来的工作可能包括在结构中添加非晶硅。通过诸如深紫外步进和电子束光刻之类的高分辨率光刻方法，可以制造更紧凑的器件，并且可以进一步提高热调谐效率。当然，可以选择其他专用聚合物作为整体或部分包层。例如，电光和非线性聚合物可用于快速开关和混波器[20,21]。结合具有某些生物/化学亲和力的材料，可以很好地将所提出的结构引入传感应用。
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