硅基光电子布拉格光栅器件的理论、设计和应用

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引言
硅基光电子已成为光电子集成芯片的重要技术，可实现数据通信之外的各种应用。在硅基光电子集成线路中，基于集成波导布拉格光栅的波长选择性器件是一类关键组件。本文概述了硅基光电子布拉格光栅器件的理论、设计原理和应用。

: }% A$ ]: C4 E) t+ f布拉格光栅理论与设计
布拉格光栅是波导有效折射率的周期性扰动。这些扰动沿波导长度产生波长选择性反射。最大反射发生的布拉格波长λB由下式给出：

! s6 C2 @9 s5 E; ^7 n+ J, ?1 W8 fλB = 2neffΛ

其中neff是平均有效折射率，Λ是光栅周期。
. C$ a9 A; z* E) \6 [: b3 }
6 ]5 M4 ]; P  T: a1 i均匀布拉格光栅的反射系数可以用耦合模式理论推导。决定光栅响应的关键参数包括耦合系数κ（衡量单位长度的反射强度）和光栅长度L。峰值功率反射率由下式给出：
% }5 T. R% `# k2 |8 G3 X
/ ^, T5 `8 J/ D" Q+ x1 y* J2 CRpeak = tanh2（κL）

$ T3 m+ v6 Y$ B反射峰两侧第一个零点之间的带宽为：

7 W' E7 R/ J/ e: a' h% @6 FΔλ = （λB2/πng）（κ2 + （π/L）2）1/2

其中ng是群折射率。
1 D! C5 {4 P( M! Y- M/ f

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图1显示了布拉格光栅的典型传输和反射响应，突出显示了布拉格波长和带宽。
5 T! J7 j  s9 O4 R/ F! N; F( [
在硅基光电子中，布拉格光栅通常通过在波导结构中引入周期性扰动来实现。常见的方法包括侧壁波纹、包层调制和离子注入。本文重点介绍侧壁波纹光栅，可以在条形和脊型波导上制造。

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图2展示了硅基光电子平台上各种类型的布拉格光栅，包括（a）不同的光栅结构和（b）条形和脊型波导上的侧壁波纹光栅。
7 H- l6 p* ^6 ~( h; k
侧壁波纹光栅的关键设计参数包括：
/ I: Q! |) u* H

波导高度（H）

平均波导宽度（W）

波纹宽度（ΔW）

波纹周期（Λ）

( i: m, x$ ?: X, w! P  T: `这些参数影响光栅的中心波长和光学带宽。条形波导光栅允许单次蚀刻制造，而脊型波导光栅可以更精确地控制耦合系数。
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; A5 A; G0 W9 X5 w1 M7 q5 \实际设计考虑因素
在设计布拉格光栅用于实际应用时，必须考虑几个实际因素：
! `( E5 x. v" O8 y/ @2 v1. 制造变异性：硅基光电子平台对波导几何形状的制造变化很敏感。这可能会改变光栅的中心波长并引入相位噪声。脊型波导光栅通常对制造缺陷更具耐受性。
2. 光刻效应：精细的光栅特征受光刻引起的平滑和邻近效应影响。这可能会降低光栅强度并改变其光谱响应。电子束光刻提供更高的分辨率，但吞吐量低于深紫外光刻（DUVL）。
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2 x6 @. m: s" @% K3 D# W6 ~图3比较了（a）理想光栅设计与制造和计算预测形状，并（b）显示了对光栅带宽的影响。

3. 调制：沿光栅长度调整光栅强度剖面可以抑制光谱侧瓣。常见的调制函数包括高斯、升余弦和sinc剖面。
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图4展示了调制对布拉格光栅器件反射光谱的影响。
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+ M' J7 h& S" i! L" c布拉格光栅的应用
1 S/ p! B* N) j. |( W3 C& v, w& ^" z& {1. 混合集成激光器
布拉格光栅在混合集成激光器中起着关键作用，这种激光器将III-V增益材料与硅基光电子线路相结合。在分布式布拉格反射器（DBR）激光器中，相移布拉格光栅形成谐振腔和反射镜。

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' F$ F. }& @0 @, e- O& ]图5显示了（a）混合集成DBR激光器的结构和（b）可调谐激射波长。

& p, |9 L3 ?1 s, q; ?  E, X2. 生物传感器
布拉格光栅可用作芯片实验室光学生物传感器中的谐振器件。分析物与导波模式的倏逝场相互作用，改变有效折射率并移动光栅的谐振波长。相移布拉格光栅提供高品质因数，实现更高的检测限。

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/ X8 }+ l' s. r+ C, Q图6展示了（a）相移布拉格光栅生物传感器，（b）对不同分析物浓度的响应，和（c）用于提高灵敏度的多盒设计。

% A( \# E  w4 r3. 色散补偿
啁啾布拉格光栅（光栅周期沿长度变化）可用于光链路的色散补偿。不同波长从光栅的不同部分反射，提供波长依赖的时间延迟，以"重新压缩"展宽的光脉冲。

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. z6 J8 t/ R' D6 s图7显示了（a）长啁啾布拉格光栅的紧凑螺旋设计和（b）测量的反射谱和群延迟。
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反向方向耦合器
反向方向耦合器（contra-DC）是基于布拉格光栅的器件，由两个耦合的、非对称周期性扰动波导组成。选择性地将特定波长从一个波导的前向传播模式耦合到另一个波导的后向传播模式。
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2 E9 T! B4 J  B! d+ @! z2 \图8展示了（a）反向方向耦合器的工作原理和（b）关键设计参数。

反向方向耦合器特别适用于实现波分复用（WDM）系统中的加/降复用器。可以优化设计以实现所需的滤波器特性，如带宽、插入损耗和消光比。
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6 ~. d2 ^* \! T  q图9显示了（a）制造的反向方向耦合器的SEM图像和（b）测量的光谱响应。

4 d- Q  Q4 N/ L: b8 X! Y$ s! C9 n先进的反向方向耦合器设计
1. 级联反向方向耦合器
多个反向方向耦合器可以级联以增强滤波器性能。这种方法可以显著提高消光比和带外抑制。
* x& p8 S1 C7 p/ j, Y: F3 |. Z

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) m8 {' H7 R3 {, e4 \) Q: y8 P图10呈现了（a）级联反向方向耦合器设计的示意图和（b）测量的具有改进性能指标的光谱响应。

2. 多通道光学加/降复用器
级联反向方向耦合器可以扩展为具有高通道隔离度的多通道光学加/降复用器（OADM）。
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+ O7 N6 r& i( H5 t$ c* |, Z4 `图11显示了基于级联反向方向耦合器的4通道OADM的（a）相位匹配条件，（b）示意图，（c）SEM图像，和（d）测量响应。
  H. o8 ]: ?; Y5 o6 _7 m
) o! b: B, s) g; k& H( g) e3. 宽带光学加/降复用器
亚波长光栅（SWG）基波导可用于设计带宽超过30 nm的反向方向耦合器。

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3 O; F* B. Y! W$ O6 j% _图12展示了（a）基于SWG的反向方向耦合器设计和（b）耦合区域的SEM图像。

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! g' s$ Z, w8 g. {图13呈现了（a）单个基于SWG的反向方向耦合器和（b）级联设计的测量响应，展示了宽带宽和高带外抑制。

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结论
* `5 U. }0 f& g3 Y布拉格光栅和反向方向耦合器是硅基光电子集成线路的多功能构建模块。从激光器和传感器到先进的波长滤波器件，使这些组件能够实现广泛的应用。通过理解基本理论和实际设计考虑因素，工程师可以充分利用这些组件的潜力，创造高性能光电子系统。
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参考文献
[1] M. Nikdast, S. Pasricha, G. Nicolescu, and A. Seyedi, Eds., Silicon Photonics for High-Performance Computing and Beyond, 1st ed. Boca Raton, FL, USA: CRC Press, 2021.
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