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用于多层光子器件的层间斜坡波导耦合器 | MDPI Photonics |
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论文标题：Interlayer Slope Waveguide Coupler for Multilayer Chalcogenide Photonics（用于多层光子器件的层间斜坡波导耦合器）
期刊：Photonics
作者：Ye Luo, Chunlei Sun, Hui Ma, Maoliang Wei, Jialing Jian, Chuyu Zhong, Junying Li, Renjie Tang, Zequn Chen, Kathleen A. Richardson, Hongtao Lin and Lan Li
发表时间：7 February 2022
DOI：10.3390/photonics9020094
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原文作者介绍
李兰 研究员
西湖大学
李兰，西湖大学工学院研究员、博士生导师。主持国家自然明升体育app基金面上、青年项目，参与科技部重点研发计划等项目，从事柔性集成光电器件、三维光电器件集成方向研究十余年。目前课题组研究方向主要包括：开发柔性光子器件与新型功能材料 (红外光学玻璃、生物相容性氧化物、高分子聚合物、2D 材料、半导体膜等) 的关键集成技术和器件测试方法；探索新型柔性光电子器件 (片上光源、调制、探测，超表面结构等) 在光互连、多维传感、光声成像及神经生物学等领域的应用。
文章导读
硫系玻璃是一种具有宽红外透明窗口、高非线性系数、折射率可调、低沉积温可单片集成等特性的非晶无机材料。基于硫系玻璃这些优异的材料特性，可以开发多层光子器件、中红外集成光子器件、非线性器件和柔性光子器件等，有望应用于高速光互连、传感、光场调控、明升m88健康等前沿领域。其中的多层集成光子回路 (Photonic Integrated Circuits, PICs) 对于发展下一代高密度、大容量、多功能的集成光电芯片具有重要意义。来自西湖大学的李兰研究员及其团队在 期刊发表的文章中，首次提出了用于多层硫系玻璃光子器件的层间斜坡波导耦合器。在多层光子器件中，层间斜坡波导耦合器采用层间倾斜波导直接连接两层的光子回路，与其他层间耦合器相比，在保证耦合效率的情况下，具有带宽更大、尺寸和层间串扰更小等特性。
研究过程与结果
作者通过三维时域有限差分仿真 (Finite Difference Time Domain, FDTD)，设计并优化了层间斜坡波导耦合器的结构，对于不同的斜坡角度 θ (5°- 50°)，分别计算了 1520 nm 波长的光束通过层间斜坡波导耦合器的传输损耗，斜坡角度越低传输损耗越小，10° 的传输损耗为 -0.14 dB。通过分析不同斜坡角度的层间坡道波导耦合器的电场分布图，作者还讨论了传输损耗的原因 (图1)。
图1. 层间斜坡波导耦合器的仿真计算。
由于层间斜坡的角度极大影响了器件性能，作者通过控制光刻胶与氧化硅层的粘附性来制备特定角度 (10.6°) 的层间斜坡 (图2)。作者实验研究了前烘温度、时间、光刻曝光剂量、后烘温度、时间等对斜坡角度的影响，并给出了 5°-22° 斜坡角度的制备工艺。
图2. 不同角度的层间斜坡。
作者分别在西湖大学和浙江大学的微纳加工中心完成该器件的制备 (图3)。首先，通过湿法刻蚀氧化硅来形成 10.6° 的层间斜坡，再通过电子束曝光、等离子体刻蚀等在斜坡波导上制备波导、垂直光栅耦合器、微环等结构。由于硫系材料的低沉积温度，该方案能够兼容 CMOS (Complementary Metal-oxide-semiconductor) 后端工艺，并且稳定性高、适用性强。
图3. 层间斜坡波导耦合器的制备流程。
作者在西湖大学柔性光子实验室完成该器件的测试 (图4)。作者从材料沉积工艺、沉积温度、层间间距、器件插入损耗、器件尺寸、1 dB 带宽等方面将该器件与其他类型层间耦合器进行比较 (表1)，该器件具有与接近直波导的超大带宽、较低的插入损耗、较小的器件尺寸和较大的层间间距。
图4. 层间斜坡波导耦合器的扫描电镜俯视图及相关光学测试结果。
研究总结
本文基于室温沉积硫系玻璃技术制作了一种用于多层光子器件的层间斜坡波导耦合器，通过调节光刻胶与基片的粘着力，可以灵活地控制层间斜波导耦合器的角度。实验研究了前烘温度、时间、光刻曝光剂量、后烘温度、时间等对斜坡角度的影响，制备了 10.6° 的层间斜坡。该器件具有与直波导相似的大带宽、低插入损耗 (0.2 dB)、较小的 (6 × 1 μm2) 器件尺寸、较大的层间间隙 (1 µm)。该器件性能优异、制备工艺简单，有希望用于大规模三维光子器件的层间耦合。
表1. 不同类型层间耦合器的性能比较。
期刊介绍
主编：Nelson Tansu, The University of Adelaide, Australia
期刊发表光学和光子学相关的基础理论和应用方面的学术文章，涵盖量子光学、微纳光学、光电子学、光谱学、集成光学、生物明升手机版光子学、光子功能材料、激光器与激光光学、光纤光学与光通信、光传感、经典光学等方向。
2020 Impact Factor：2.676
2020 CiteScore：3.5
Time to First Decision：14.7 Days
Time to Publication：35 Days
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