硅光学习-18-包层应力工程应用
在早期的研究中，研究人员采用周期性氧化物包层结构来制作偏振旋转器。如图1所示，这些案例中，应力是实现所需功能的唯一机制。图1、氧化物包层结构的偏振旋转器此外还有很多通过包层应力工程调控SOI波导器件偏振特性的若干案例，如：
[*]偏振无关阵列波导光栅解复用器，该器件通过精确选择氧化层包层的应力和厚度，成功消除了波导阵列中的双折射效应。
[*]偏振无关微环谐振器、马赫-曾德尔干涉仪差分相移键控解调器以及低损耗偏振无关三工器等。得益于这些器件的周期性响应特性，采用氧化层（压应力）或氮化层（张应力）包层来调控双折射，使TE和TM光谱产生自由光谱范围的整数倍偏移。
[*]零阶阵列波导光栅中的偏振分束器——通过在阵列波导区设置棱镜状氧化层贴片，实现TE与TM模式向不同输出波导的分路传输。该阵列波导光栅工作在近零阶条件下，因而具有宽谱工作特性。
[*]包层应力工程同样适用于有源光子器件，如有源双折射调谐及其在拉曼放大相位匹配中的应用。
[*]利用应力改变硅材料中心对称晶体结构，从而引入普克尔斯电光效应。
（1）偏振无关阵列波导光栅阵列波导光栅堪称最常用的波长色散滤波器。在AWG中，偏振相关波长偏移(PDW)：Δλ=λTM-λTE主要源于阵列波导的双折射效应，其表达式可表示为Δλ=λΔneff/nG，其中Δneff和nG分别代表阵列波导的双折射率和群折射率。在氧化硅基AWG中，获取偏振无关的常用方法是通过最小化残余应力来实现阵列波导的无双折射特性。另一种常见方案是在相控阵列中部插入半波片，实现TE偏振态与TM偏振态相互转换。然而界面反射损耗、插入损耗以及高阶模激发等问题，使得该方法难以适用于SOI等高折射率对比度平台。研究学者在InP基阵列波导光栅(AWG)研究中已验证，可通过在合波器或阵列区域引入具有棱镜效应的三角状结构区域（该区域具备可控双折射特性）来补偿相位误差，该方法能有效消除SOI脊形波导AWG器件的相位误差，但仍受限于伴随的附加损耗。而采用具有特定应力和厚度的均匀包层氧化层来制造无双折射波导阵列，不仅效果显著且易于实施。图2、（a）AWG，（b）波长偏移与包层厚度的关系，（c）无氧化硅包层，（d）有氧化硅包层用于演示应力工程偏振补偿的阵列波导光栅(AWG)制作在硅厚度为2.2微米的绝缘体上硅(SOI)衬底上，具有9个输出通道，通道间隔200GHz，中心波长1550纳(见图2a)。该40阶阵列波导光栅由100根标称宽度为2微米的波导组成。波导采用湿法或干法工艺制作。所得波导侧壁角度分别约为54°和90°。采用等离子体增强化学气相沉积法在约400°C下沉积不同厚度的上包层氧化膜，通过测量覆盖空白基底的薄膜导致的晶圆弯曲度，测得薄膜应力σfilm=-320MPa。图2b展示了梯形和矩形波导中△λ随包层厚度tc变化的计算值与实测值。计算结果表明两种波导类型均与实验数据吻合良好，证实△λ可在约2纳米波长范围内进行调控。图2c和d展示了湿法蚀刻阵列波导光栅（AWG）在进行偏振补偿前后的TE和TM光谱。相邻通道串扰低于-25分贝。未经补偿的AWG器件存在约0.6纳米的偏振相关波长偏移（图2c），这是由于阵列波导中几何双折射△ngeo~-1.3×10−3所致。通过沉积应力为-320MPa、厚度0.6um的氧化物上包层薄膜后，所有通道的△λ值均降至0.04纳米以下，对应△neff小于1×10−4（图2d）。补偿后这些器件的偏振相关损耗（PDL）也被证实可忽略不计。 （2）偏振无关的环形谐振器、马赫-曾德尔干涉仪与定向耦合器环形谐振器、马赫-曾德尔干涉仪和定向耦合器是广泛应用于通信、互连和传感等领域的基本器件。然而，偏振敏感性往往成为需要耗费大量精力来克服的障碍。 在SOI环形谐振器中，共振波长和品质因数表现出的强烈偏振敏感性早已被研究者注意到。2004年报道的通过单纯调整器件几何结构实现的偏振无关环形谐振器，后来被发现其性能主要源于器件中氧化层包覆应力所起的关键作用。图3、(a) 多模干涉耦合环形谐振器示意图；(b) 制备完成的谐振器；(c) 氧化物包层沉积前的多模干涉耦合器结构特写；(d) 带有氧化物包层的波导横截面 图3a展示了一个带有单波导的环形谐振器，该环形腔通过多模干涉(MMI)耦合器激发。总线波导中的功率传输可表示为：其中φ = 2πneffL/λ表示往返相位累积总量，L为腔长，α2 = αc2·αring2是包含耦合器与环形腔损耗的综合功率损耗因子。自耦合系数t2表示耦合器从输入端到输出端的功率传输比率。t或α中的偏振相关导致TE和TM偏振的不同谐振品质因数及光谱宽度，而有效折射率与群折射率的双折射分别造成偏振敏感共振波长与自由光谱范围。这里的实例是一个采用多模干涉耦合器(MMI)的π环谐振器，与常用的定向耦合器(DC)相比，多模干涉耦合器对偏振敏感性较低。该多模干涉耦合器长度的选择基于一个假设：其他所有机制对TE和TM模造成的损耗相近，但实际情况未必如此。例如，由散射引起的波导传输损耗取决于光学模式与波导边界粗糙度的重叠程度，通常具有偏振相关性。这种损耗因子与传输距离成正比，因此也与环形谐振器的腔长相关。另一个损耗源是波导弯曲处的辐射损耗，以及直波导与弯曲波导连接处等不连续结构可能产生的损耗。这些损耗同样具有显著的偏振相关性。在器件设计时需要考虑这些附加损耗因素。由于环形波导中的应力诱导双折射远大于较宽MMI区段，且环形波导区段长度显著更长，环形腔单次循环中TM与TE偏振之间的相位积累差△φ可表示为：其中LMMI表示MMI段的长度，L1为环形波导段总长度，L1 = L − LMMI = 2πR + LMMI。图4a展示了环形谐振器的相位差△φ = φTM − φTE随氧化层包层厚度变化的函数关系，对比了两种包层应力水平。图4、（a）相位差随氧化物包层厚度变化的函数关系图；(b) 偏振补偿环形谐振器的TE和TM模式实测透射谱由于环形谐振器具有周期性传输光谱，当△φ = 2πj（j = 0, ±1, ±2...）时即可实现谐振波长处的偏振无关特性。如图所示，可以找到多种满足该条件的包层应力与厚度组合方案。图3b、c展示了制作完成的MMI耦合环形谐振器在氧化层包覆沉积前的SEM图像，图3d则显示了带有氧化包层的波导横截面。针对一个半径R=200μm、具有0.8微米氧化包层（薄膜应力σfilm=-250MPa）的环形谐振器，其TE与TM偏振态的实测传输光谱如图4b所示。与环形谐振器类似，马赫-曾德尔干涉仪（MZI）是另一种具有周期性光谱响应的器件实例。图5、（a）马赫-曾德尔延迟干涉仪，展示五个DI（延迟干涉仪）及测试结构。（b） 两种温度（T=35℃和70℃）下的PDF偏移。(c) C波段范围内TE模与TM模的滤波器曲线最大值的偏振相关损耗。(d) TE光与TM光的端口不平衡度应力诱导双折射现象可通过调节应力实现非常精确的双折射控制（约10−5量级），这是DPSK接收器的关键要求。采用氮化硅薄膜作为包层，使包层中的拉伸应力将TE响应相对于TM响应移动一个自由光谱范围(FSR)，从而实现偏振无关性。测量性能如图5 b-d所示。这些器件在芯片温度高达70℃时还表现出极低的热依赖性（偏振相关频移PDF<1 GHz）。虽然其作用机制尚未完全明确，但这些结果可能源于材料热光效应与包层应力诱导变化的共同作用，类似于多孔硅滤波器研究中提出的机理。（3）零阶阵列波导光栅构型中的宽带偏振分束器偏振分束器是基于偏振分集方案器件中的核心元件，这类器件可应用于信号处理、网络监测、偏振传感、成像及数据存储等领域。目前已报道的波导偏振分束器结构包括Y分支、多模干涉耦合器、定向耦合器、马赫-曾德尔干涉仪以及阵列波导光栅等不同构型。这些设计方案通过对特定波导区进行几何形貌修饰来实现功能，但在加工容差、工作带宽或集成密度方面仍存在局限性。 研究者提出了一种零阶阵列波导光栅偏振分束器，该器件利用应力诱导效应在选定的波导区域产生高水平双折射，如图6所示。图6、(a) 宽带零阶阵列波导光栅偏振分束器的原理布局图；(b) 采用罗兰圆结构的输出平板波导合束器几何构型在阵列波导段放置三角形氧化物包层贴片，相邻波导间保持恒定长度增量ΔL。包层应力会导致在波导阵列中传播的光产生偏振相关相位差（见图6a），从而使平板波导合束器区域的光相位前沿出现偏振相关倾斜。由于所有波导具有相同物理长度，阵列段相邻波导中传播光的相位差仅取决于包层应力诱导的折射率变化和贴片长度增量。由于硅波导在TE和TM偏振模下的应力诱导折射率变化符号相反，如图6b所示，这两种模式会相对于合束器中心线在焦区沿相反方向发生空间位移。通过在合束器焦平面适当布置两个接收波导，即可实现两种偏振态的空间分离。应力引起的折射率变化比SOI中纤芯与包层的折射率对比小几个数量级，因此二氧化硅包层对模式形状的影响可以忽略不计。因此在有包层和无包层的波导段连接处，模式失配损耗或偏振相关损耗均可忽略不计。图7a展示了在具有2.2微米厚硅层的SOI晶圆上制造的偏振分束器，整体器件尺寸约为12毫米×4毫米。沉积氧化物包层薄膜厚度为1微米，测得包层薄膜应力约为-340Mpa。由于应力引起的效应不会随波长显著变化，且阵列波导光栅工作在近零阶附近，预计该分束器的性能在大带宽范围内与波长无关，这一结论已通过实验验证。在所用激光器的全调谐范围（1465-1580nm）内，测得偏振分束器两个输出偏振态的消光比均优于-10dB。图7b展示了1537-1557nm波长范围内测得的偏振分束器传输特性。在此范围内，分束器消光比小于-15dB，最高测得消光比达-20dB。类似的双折射调制方法也被应用于马赫-曾德尔干涉仪结构中，用于制备偏振分束器和滤波器。图7、(a) 制作的波长无关零阶阵列波导光栅偏振分束器俯视图（展示多个器件）。插图：波导阵列中氧化物包层三角贴片的扫描电镜图像；(b) 零阶阵列波导光栅偏振分束器的传输波长响应测量结果（4）无源器件中双折射特性的修整即便在当今拥有先进加工工具的情况下，采用电子束或深紫外光刻技术制造的器件关键尺寸仍不可避免地存在偏差。这些偏差可能源于晶圆间硅厚度的不均匀性，也可能由光刻缺陷或蚀刻不均导致的晶圆表面偏差所引发。有效折射率和双折射对尺寸变化极为敏感——尤其当纤芯尺寸缩小时。这些变化会导致器件中心波长偏移和偏振依赖性。在某些情况下，仍需对波导有效折射率进行微调。虽然主动热调谐技术可用于此目的，但这种方法会增加设计复杂性和功耗。另一种解决方案是在器件制造完成后通过调整包层应力水平或厚度进行修整，该操作可在晶圆级别或逐个器件基础上实施。薄膜中的应力可通过热处理进行调控。应力改变的程度取决于薄膜微观特性、热退火温度及持续时间。图8a展示了一个典型案例：PECVD沉积氧化膜中的应力值随退火温度和持续时间增加而降低。在阵列波导光栅上分别进行600℃下2分钟与17分钟的退火处理，图8b显示了相应的偏振波长偏移情况，该实验结果与仿真模拟具有较好的一致性。图8、(a) 整片PECVD氧化薄膜的应力水平随退火时间的变化关系；(b) 对应退火工艺下计算值（曲线）与测量值（符号）的偏振相关波长偏移氧化物或氮化物薄膜中的应力也可通过电子束和紫外线照射进行调控，这种处理会导致体积压缩及折射率变化。虽然这两种效应都会影响波导有效折射率，但研究表明应力变化才是主导因素。研究人员采用电子束照射技术，对带有2微米厚氧化物包层的SOI线波导（220×500纳米²）环形谐振器进行共振波长调控，成功实现了约4.9纳米的红移现象。图9展示了谐振器透射光谱在修整过程中某一阶段的演变情况，当右侧环形谐振器被0.84nA电子束扫描时。尽管不同微观机制的贡献以及该方法的长期稳定性仍需进一步研究，但这种方法有望用于微调集成光子电路中的单个器件。图9、（a）用于电子束修整实验的器件概述：右侧环通过电子束压缩进行修整；左侧环保持完整作为参照，以排除温度或环境变化的影响。(b) 在0.84nA电子束扫描过程中谐振的演变氧化层包覆厚度可通过化学或反应离子蚀刻进行全局性减薄。在玻璃波导环形谐振器和MZI器件中，为调节双折射效应，曾采用激光修整技术局部减薄应力诱导非晶硅薄膜的厚度。直接烧蚀氧化膜层难度较大，因为氧化物对大多数可用激光源具有透光性。在氧化层包覆的SOI元件上额外施加应力诱导薄膜也是可行方案。尽管这种方法允许局部修整，但无疑增加了工艺复杂性。
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