專利名稱：一種陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)微系統(tǒng)異構(gòu)集成研究，屬于光電子集成領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
國外對光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的研究較早，在發(fā)達(dá)國家已基本上實現(xiàn)了光纖布拉格光柵傳感器的商業(yè)化、工程化。目前國外應(yīng)用光纖布拉格光柵傳感器最多的領(lǐng)域是橋梁的安全監(jiān)測，同時光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用也逐步延伸到了電力、石油、石化等各個工業(yè)領(lǐng)域。國內(nèi)在70年代末開始光纖布拉格光柵傳感器的研究，目前已有上百家單位在這一領(lǐng)域開展研究工作。光纖布拉格光柵傳感器在我國部分行業(yè)已得到應(yīng)用，可以用來測量應(yīng)變、溫度、壓力以及一切可以轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或溫度的物理量。目前光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)體積較大、價格昂貴等限制了光纖布拉格光柵傳感技術(shù)的推廣應(yīng)用。陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)方法是一種極具潛力的新型光纖布拉格光柵解調(diào)方法，具有精度高、解調(diào)速度快等特點。本發(fā)明對陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)系統(tǒng)的光源、光波導(dǎo)耦合器、陣列波導(dǎo)光柵、光電探測器進(jìn)行異構(gòu)集成。異構(gòu)集成后的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、器件一體化、集成度較高、成本較低，提高光路的穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點。本發(fā)明必將對光纖布拉格光柵傳感解調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展起到重要推動作用，同時對于未來全硅光電子集成芯片的研究也具有重要意義。陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)可以被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑物、健康監(jiān)測、石油工業(yè)等領(lǐng)域，甚至于將陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)植入到服裝中，完成人體生理參數(shù)的實時測量，這對于人體感染性、腫瘤、心臟等疾病的及時診斷和治療也具有重要的意義和應(yīng)用價值，進(jìn)一步拓展光纖布拉格光柵傳感技術(shù)在面向健康、生命科學(xué)和航空航天上的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決光纖布拉格光柵解調(diào)系統(tǒng)體積較大、價格昂貴等問題，提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、解調(diào)精度高、解調(diào)速度快、成本較低的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):(I)C波段片上LED光源的基本結(jié)構(gòu)為在InP襯底上連續(xù)生長4層，依次為n_InP緩沖層、InGaAsP有源層、p-1nP限制層和p-1nGaAsP頂層。C波段片上LED光源發(fā)光中心波長為1550nm，在正偏電壓為0.8V時，發(fā)光功率為2mW，波長帶寬為lOOnm。(2)米用光柵I禹合器將C波段LED光源發(fā)出的光I禹合至2X2光波導(dǎo)I禹合器波導(dǎo)I,在SOI晶片上刻蝕光柵,確定波導(dǎo)層刻蝕深度、光柵周期和占空比,在光柵I禹合反方向加分布式布拉格反射鏡以提高耦合效率，光柵耦合方向末端通過錐形波導(dǎo)與2X2光波導(dǎo)耦合器波導(dǎo)I相連。(3)在SOl晶片上制作工作在1550nm中心波長的2X2光波導(dǎo)耦合器，通過波導(dǎo)I接收光柵衍射的光，通過波導(dǎo)2將光引入光纖布拉格光柵陣列，再通過波導(dǎo)2、3將光纖布拉格光柵陣列反射回來的光引入1X8陣列波導(dǎo)光柵。2X2光波導(dǎo)稱合器附加損耗不大于0.5dB，不均勻性不大于0.ldB，尺寸不大于6X 100 μ m2，分光比接近50: 50，使得1X8陣
列波導(dǎo)光柵接收盡可能多的光。(4)在SOI晶片上制作工作在1550nm中心波長的1X8陣列波導(dǎo)光柵，其結(jié)構(gòu)為馬鞍型，插入損耗不大于25.5dB,串?dāng)_不大于3.2dB,尺寸不大于270 μ mX 390 μ m。在I X 8陣列波導(dǎo)光柵輸入平板波導(dǎo)前端接一段錐形多模波導(dǎo)，在錐形多模干涉耦合器之前和陣列波導(dǎo)光柵輸出平板波導(dǎo)之后各插入一段錐形預(yù)展寬波導(dǎo)，得到光譜平坦化的1X8陣列波導(dǎo)光柵，可獲得具有低色度色散的平坦化光譜，降低陣列波導(dǎo)光柵的輸出光譜串?dāng)_。(5)采用光柵耦合器將SOI波導(dǎo)內(nèi)傳播的光垂直衍射至其上方的光電探測器陣列。光電探測器以InGaAs/InP為材料，在InP襯底上連續(xù)生長3層，依次為:n_InP緩沖層、1-1nGaAs本征吸收層、p-1nP蓋層。光電探測器尺寸不大于460 X 460 X 170 μ m3，在5V偏壓下的暗電流小于0.5nA，靈敏度約為3nW，光敏面積為40 μ m，在1.1 μ m-1.65 μ m波段響應(yīng)度超過 0.9A/W ；在上述步驟(I)中，建立發(fā)光中心波長為1550nm的InP基片上LED光源模型，利用Silvaco仿真軟件對LED結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真,求解LED光譜曲線。在上述步驟(2)中，建立光柵耦合器模型，基于FDTD算法對光柵耦合器進(jìn)行模擬仿真，計算其耦合效率。在光源垂直照射的情況下，光柵耦合效率不低于40%。在上述步驟(3)中，建立2X2光波導(dǎo)耦合器數(shù)學(xué)模型，確定其基本參數(shù)，在保證傳輸效率的前提下實現(xiàn)與1X8陣列波導(dǎo)光柵的互連。應(yīng)用光束傳播法(BPM)對2X2光波導(dǎo)耦合器進(jìn)行仿真、優(yōu)化設(shè)計，以減小其附加損耗，改善其偏振特性和不均勻性，使得所設(shè)計的2X2光波導(dǎo)耦合器附加損耗小于0.5dB，不均勻性小于0.ldB，尺寸不大于6Χ100μπι2。導(dǎo)出2 X 2光波導(dǎo)耦合器版圖，確定SOI晶片參數(shù)，利用電子束曝光和反應(yīng)耦合等離子工藝，進(jìn)行光刻板的制作。在上述步驟(4)中，基于光束傳輸法的傳輸理論，對1X8陣列波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)組成、衍射級數(shù)、相鄰陣列波導(dǎo)的長度差、平板波導(dǎo)的焦距和自由光譜區(qū)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，建立1X8陣列波導(dǎo)光柵數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其光譜分布均勻，損耗不大于
3.2dB,串?dāng)_不大于25.5dB,尺寸不大于270 μ mX 390 μ m。相比于同等微米級的陣列波導(dǎo)光柵，損耗和串?dāng)_有所減小。設(shè)計光譜平坦化的1X8陣列波導(dǎo)光柵，以獲得具有低色度色散的平坦化光譜，降低輸出光譜的串?dāng)_。導(dǎo)出1X8陣列波導(dǎo)光柵的版圖，確定SOI晶片參數(shù)，利用電子束曝光和反應(yīng)耦合等離子工藝，完成1X8陣列波導(dǎo)光柵的制作。在上述步驟(5)中，建立InP基光電探測器模型，為消除電極對光的有害吸收以及滿足光耦合的相位匹配條件，分別對電極結(jié)構(gòu)和本征吸收層厚度進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，利用Silvaco仿真軟件對光電探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，光電探測器靈敏度約為3nW，在
1.1 μ m-1.65 μ m波段響應(yīng)度超過0.9A/W。本發(fā)明的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)效果和益處是:提供一種極具潛力的新型光纖布拉格光柵解調(diào)方法，具有結(jié)構(gòu)緊湊、器件一體化、集成度較高、成本較低、提高光路的穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點。


圖1是陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)示意圖2是C波段片上LED光源結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是光源與光柵耦合器連接示意圖；圖4是光柵耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是2X2多模干涉耦合器版圖；圖6是2 X 2多模干涉耦合器光場和光功率分布圖；圖7是2 X 2多模干涉耦合器實物圖；圖8是馬鞍型I X 8陣列波導(dǎo)光柵版圖；圖9是1X8陣列波導(dǎo)光柵輸出光譜圖；圖10是光譜平坦化的I X 8陣列波導(dǎo)光柵版圖；圖11是1X8陣列波導(dǎo)光柵掃描電鏡圖；圖12是光電探測器結(jié)構(gòu)示意圖；圖13是光電探測器與光柵耦合器連接示意圖；圖14是實驗測試所得 2X2多模干涉耦合器輸出光譜圖；圖15是實驗測試所得1X8陣列波導(dǎo)光柵輸出光譜圖。
具體實施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實施例。本發(fā)明將LED光源,2X2光波導(dǎo)稱合器,光纖布拉格光柵陣列，I X8陣列波導(dǎo)光柵，光電探測器陣列進(jìn)行異構(gòu)集成，圖1是陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)示意圖，具體實施步驟為:I.C波段片上LED光源InP基C波段片上LED光源的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，在InP襯底上連續(xù)生長4層，依次為n-1nP緩沖層、InGaAsP有源層、p_InP限制層和p-1nGaAsP頂層，n_InP緩沖層厚度為0.5 μ m, InGaAsP有源層厚度為0.1 μ m, p-1nP限制層厚度為0.5 μ m, p-1nGaAsP頂層厚度為0.5 μ m。利用Silvaco仿真軟件對LED進(jìn)行建模、仿真，得到LED的基本結(jié)構(gòu)、輸出光譜曲線以及輸出光功率曲線。在正偏電壓為0.8V時，LED最大正偏電流為100mA，發(fā)光功率為2mW，波長帶寬為lOOnm。采用2X2LED陣列作為陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)的輸入光源。2.光柵稱合器米用光柵稱合法將C波段片上LED光源與2X2光波導(dǎo)稱合器波導(dǎo)I進(jìn)行稱合。圖3中片上LED光源垂直照射到光柵耦合器，通過光柵將光衍射進(jìn)入2X2光波導(dǎo)耦合器波導(dǎo)
I。圖4中在SOI晶片上刻蝕光柵，波導(dǎo)層刻蝕深度為50nm，周期為570nm，占空比為0.74，在光柵耦合反方向加分布式布拉格反射鏡以提高耦合效率，光柵耦合方向末端通過錐形波導(dǎo)與2X2光波導(dǎo)耦合器波導(dǎo)I相連，從而實現(xiàn)光源與2X2光波導(dǎo)耦合器波導(dǎo)I的耦合。根據(jù)上述參數(shù)建立光柵耦合器模型，利用FDTD算法對光柵耦合器進(jìn)行模擬仿真。在光源垂直照射的情況下，耦合效率可達(dá)到49%。3.2X2光波導(dǎo)耦合器2X2光波導(dǎo)稱合器米用SOI基2X2多模干涉稱合器。多模干涉稱合器輸入/輸出波導(dǎo)采用倒錐形，錐形波導(dǎo)大端寬度均設(shè)為I μ m。為與陣列波導(dǎo)光柵輸入波導(dǎo)尺寸相匹配，將和陣列波導(dǎo)光柵相連的錐形波導(dǎo)末端寬度設(shè)為0.35 μ m。其余錐形波導(dǎo)的末端寬度設(shè)為0.65 μ m。圖5中耦合器尺寸為6 μ mX 100 μ m，其中多模干涉區(qū)尺寸為6 μ mX 57 μ m。優(yōu)化前，耦合器的附加損耗為1.09dB，不均勻性為0.44dB。優(yōu)化后，其附加損耗減小，偏振特性得到了明顯改善，圖6中在TE偏振中心波長為1.55 μ m時，器件附加損耗為0.46dB,不均勻性為0.06dB。在1.49-1.5911111波長范圍內(nèi)耦合器的附加損耗小于1.55(^。結(jié)果表明所設(shè)計的2X2多模干涉耦合器具有體積小、附加損耗低、波長響應(yīng)范圍寬、分光均勻等優(yōu)點。導(dǎo)出2X 2光波導(dǎo)耦合器版圖，選取頂層硅厚度為0.22 μ m、掩埋SiO2層厚度為2 μ m的SOI晶片，利用電子束曝光和反應(yīng)耦合等離子工藝，進(jìn)行光刻板的制作，圖7為2X2多模干涉耦合器實物圖。4.1X8陣列波導(dǎo)光柵SOI基1X8陣列波導(dǎo)光柵采用如圖8所示的馬鞍型陣列波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)寬度為0.35 μ m，器件尺寸僅為267 μ mX 381 μ m，陣列波導(dǎo)光柵的相鄰陣列波導(dǎo)長度差為19.7 μ m，波導(dǎo)焦距為67μπι，自由光譜區(qū)為55.39 μ m。圖9表明八個輸出通道的中心波長分別為 1.5427 μ m、1.5446 μ m、1.5461 μ m、1.548 μ m、1.550 μ m、1.5528 μ m、1.5549 μ m、
1.5567 μ m，通道間隔約為0.002526 μ m，光譜分布均勻。所優(yōu)化設(shè)計的1X8陣列波導(dǎo)光柵的插入損耗僅為3.15dB且串?dāng)_僅為25.5dB，相比于同等微米級的陣列波導(dǎo)光柵，損耗和串?dāng)_均有所減小。在1X8陣列波導(dǎo)光柵輸入平板波導(dǎo)前端接一段錐形多模波導(dǎo)，在錐形多模干涉耦合器之前和1X8陣列波導(dǎo)光柵輸出平板波導(dǎo)之后各插入一段錐形預(yù)展寬波導(dǎo)，得到如圖10所示的光譜平坦化的1X8陣列波導(dǎo)光柵，可獲得具有低色度色散的平坦化光譜，降低了陣列波導(dǎo)光柵的輸出光譜串?dāng)_。結(jié)果表明，光譜平坦化的1X8陣列波導(dǎo)光柵八個輸出通道的中心波長分別為 1.542 μ mU.544 μ mU.546 μ mU.548 μ mU.550 μ mU.552 μ m、
1.554 μ m、1.556 μ m、1.558 μ m,通道間隔為2nm, 3dB帶寬為1.31nm,插入損耗為4.36，串?dāng)_約為21.9dB。光譜平坦化后1X8陣列波導(dǎo)光柵通道間隔展寬，相鄰?fù)ǖ赖拇當(dāng)_降低。
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導(dǎo)出1X8陣列波導(dǎo)光柵的版圖,確定SOI晶片參數(shù),利用電子束曝光和反應(yīng)I禹合等離子工藝，完成1X8陣列波導(dǎo)光柵的制作。圖11為1X8陣列波導(dǎo)光柵掃描電鏡圖。5.光電探測器陣列InGaAs/InP PIN型光電探測器結(jié)構(gòu)如圖12所示，在InP襯底上連續(xù)生長3層，依次為:n-1nP緩沖層、1-1nGaAs本征吸收層、p-1nP層。n_InP緩沖層厚度為I μ m, 1-1nGaAs本征吸收層厚度為3 μ m，p-1nP層厚度為I μ m。為消除電極對光的有害吸收以及滿足光耦合的相位匹配條件，分別對電極結(jié)構(gòu)和本征吸收層厚度進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，并使用Silvaco仿真軟件對光電探測器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真。利用硅和πι-v族材料的異質(zhì)集成技術(shù)，采用苯并環(huán)丁烯(BCB)聚合物晶片粘合工藝，制作出硅基InGaAs/InP PIN型光電探測器。采用光柵耦合器將1X8陣列波導(dǎo)光柵輸出波導(dǎo)的光垂直衍射至其上方的光電探測器陣列，圖13所示的耦合方式好處在于可以采用比較厚的BCB粘合層。光電探測器尺寸不大于460 X 460 X 170 μ m3,在5V偏壓下的暗電流小于0.5nA，靈敏度約為3nW，光敏面積為40 μ m，在1.1 μ m-1.65 μ m波段響應(yīng)度超過0.9A/W。通過優(yōu)化和穩(wěn)定工藝參數(shù)，制作出含8個光電探測器的光電探測器陣列。6.實驗測試結(jié)果
采用端面耦合法對已經(jīng)制作完成的2 X 2光波導(dǎo)耦合器和I X 8陣列波導(dǎo)光柵進(jìn)行了測試，使用錐形光纖與光波導(dǎo)進(jìn)行對接，以提高耦合效率。圖14為2X2多模干涉耦合器輸出光譜圖，其中P為光源輸出光譜，PO為光纖對接時光譜，P1、P2分別為2X2光波導(dǎo)耦合器兩輸出波導(dǎo)的輸出光譜。實驗結(jié)果表明，2X2光波導(dǎo)f禹合器的附加損耗為0.5423dB,不均勻性為0.0053dB。圖15為1X8陣列波導(dǎo)光柵8個輸出通道的輸出光譜圖，實驗結(jié)果表明，1X8陣列波導(dǎo)光柵的通道間隔為1.91nm，插入損耗為3.18dB,串?dāng)_為-23.ldB，不均勻性為1.3 5dB。
權(quán)利要求
1.一種陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)，其特征在于包括依次相連的C波段片上LED光源,2X2光波導(dǎo)稱合器,光纖布拉格光柵陣列，1X8陣列波導(dǎo)光柵,光電探測器陣列，上述各組成部分異構(gòu)集成在一片襯底材料上，其中2X2光波導(dǎo)耦合器和1X8陣列波導(dǎo)光柵制作在SOI晶片上，C波段LED光源、光電探測器陣列制作在InP襯底上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)，其特征在于:C波段LED光源發(fā)光中心波長為1550nm，波長帶寬為lOOnm，基本結(jié)構(gòu)為在InP襯底上連續(xù)生長4層，依次為n-1nP緩沖層、InGaAsP有源層、p-1nP限制層和p-1nGaAsP頂層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)，其特征在于:在2X2光波導(dǎo)率禹合器輸入波導(dǎo)處刻蝕光柵，在光柵I禹合反方向加分布式布拉格反射鏡，光柵I禹合方向末端通過錐形波導(dǎo)與2X2光波導(dǎo)耦合器波導(dǎo)I相連，C波段片上LED光源垂直照射到光柵耦合器，將光衍射至2X2光波導(dǎo)耦合器波導(dǎo)I，從而實現(xiàn)光源與2X2光波導(dǎo)耦合器波導(dǎo)I的耦合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)，其特征在于:在SOI晶片上制作2X2光波導(dǎo)稱合器,波導(dǎo)I通過一段錐形波導(dǎo)與光柵相連，波導(dǎo)2與光纖布拉格光柵陣列相連，波導(dǎo)3與1X8陣列波導(dǎo)光柵輸入波導(dǎo)相連，通過波導(dǎo)I接收光柵衍射的光，波導(dǎo)2將光引入光纖布拉格光柵陣列，再通過波導(dǎo)2、3將光纖布拉格光柵陣列反射光引入1X8陣列波導(dǎo)光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)，其特征在于:在SOI晶片上制作1X8陣列波導(dǎo)光柵,其結(jié)構(gòu)為馬鞍型,輸入波導(dǎo)與2X2光波導(dǎo)稱合器波導(dǎo)3相連,輸出波導(dǎo)與光電探測器陣列相連，通過在1X8陣列波導(dǎo)光柵輸入平板波導(dǎo)前端接一段錐形多模波導(dǎo)，在錐形多模干涉耦合器之前和1X8陣列波導(dǎo)光柵輸出平板波導(dǎo)之后各插入一段錐形預(yù)展寬波導(dǎo)，得到光譜平坦化的1X8陣列波導(dǎo)光柵，可獲得具有低色度色散的平坦化光譜，降低陣列波導(dǎo)光柵的輸出光譜串?dāng)_。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)，其特征在于:在1X8陣列波導(dǎo)光柵輸出波導(dǎo)處刻蝕光柵，將`1X8陣列波導(dǎo)光柵輸出波導(dǎo)的光垂直衍射至其上方的光電探測器陣列，它包含8個光電探測器，將1X8陣列波導(dǎo)光柵8個輸出通道的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，光電探測器以InP材料為襯底，在InP襯底上連續(xù)生長3層，依次為n_InP緩沖層、1-1nGaAs本征吸收層、p-1nP層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)，包括C波段片上LED光源，2×2光波導(dǎo)耦合器，光纖布拉格光柵陣列，1×8陣列波導(dǎo)光柵，光電探測器陣列，該系統(tǒng)利用電子束曝光和反應(yīng)耦合等離子工藝，在SOI晶片上制作耦合器和陣列波導(dǎo)光柵，將InP材料制作的LED光源發(fā)出的光通過光柵耦合至耦合器波導(dǎo)1，再經(jīng)耦合器波導(dǎo)2進(jìn)入光纖布拉格光柵陣列，光纖布拉格光柵陣列反射光再經(jīng)耦合器波導(dǎo)3進(jìn)入陣列波導(dǎo)光柵，陣列波導(dǎo)光柵輸出波導(dǎo)的光也是通過光柵耦合至其上方的InGaAs光電探測器陣列。本發(fā)明公開的陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、器件一體化、成本較低、解調(diào)精度高、速度快、提高光路穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點。
文檔編號G02B6/34GK103235363SQ20131013864
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月22日
發(fā)明者李鴻強(qiáng), 董夏葉, 白曜亭, 李洋, 劉宇, 周文騫 申請人:天津工業(yè)大學(xué)