1、收稿日期:2 0 2 2-1 0-2 7.*通信作者:郑少南 E-m a i l:s n z h e n g s h u.e d u.c n光电器件D O I:1 0.1 6 8 1 8/j.i s s n 1 0 0 1-5 8 6 8.2 0 2 2 1 0 2 7 0 2基于新型掺钪氮化铝的级联马赫-曾德尔结构(解)复用器陈心逸1,胡 超1,郑少南1*,赵兴岩1,钟其泽1,董 渊1,胡 挺1,贾连希1,2,3,古元冬1,2(1.上海大学 微电子学院,上海2 0 1 8 0 0;2.上海微技术工业研究院,上海2 0 1 8 0 0;3.中国科学院上海微系统与信息技术研究所,上海2 0 0
2、0 5 0)摘 要:在新型掺钪(S c)氮化铝(A l1-xS cxN)集成光学平台上设计了插入损耗低、传输通道谱线平坦的O波段四通道波分(解)复用器,并提出了优化方法。所设计的器件结构基于级联马赫-曾德尔干涉仪(MZ I)滤波器,结合弯曲波导结构的定向耦合器改善波长敏感度。针对粗波分复用(CWDM)应用的特性,文章使用粒子群算法(P S O)提升器件性能优化的效率,通过调整器件结构的设计参数对四路通道的传输谱线质量进行优化。针对0%,9%,2 3%的掺S c浓度,设计的解复用器表现出宽达约1 5.6n m的1-d B带宽和小于0.1d B的插入损耗,传输谱线呈“盒状”响应,各通道间串扰均优于
3、-3 0.6d B。关键词:硅光子学;波分复用;马赫-曾德尔干涉仪;掺钪氮化铝中图分类号:T N 2 5 2 文章编号:1 0 0 1-5 8 6 8(2 0 2 3)0 1-0 0 2 5-0 7C a s c a d e dM a c h-Z e h n d e r I n t e r f e r o m e t e r(D e)m u l t i p l e x e r sB a s e do nN o v e l S c a n d i u m-d o p e dA l u m i n u mN i t r i d eCHE NX i n y i1,HUC h a o1,Z HE NG
4、S h a o n a n1,Z HAOX i n g y a n1,Z HONGQ i z e1,D ONGY u a n1,HUT i n g1,J I AL i a n x i1,2,3,GUY u a n d o n g1,2(1.S c h o o l o fM i c r o e l e c t r o n i c s,S h a n g h a iU n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 0,C H N;2.S h a n g h a i I n d u s t r i a lM i c r o-T e c h n o l o g
5、 yR e s e a r c hI n s t i t u t e,S h a n g h a i 2 0 1 8 0 0,C H N;3.S h a n g h a i I n s t i t u t eo fM i c r o s y s t e ma n dI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y(S I M I T),C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s(C A S),S h a n g h a i 2 0 0 0 5 0,C H N)A b s t r a c t:A n O-b a n d
6、4-c h a n n e lw a v e l e n g t hd i v i s i o n(d e)m u l t i p l e x e rw i t hl o wi n s e r t i o nl o s sa n df l a t-t o pt r a n s m i s s i o ns p e c t r ai sp r e s e n t e db a s e do nt h en o v e ls c a n d i u m(S c)-d o p e da l u m i n u mn i t r i d e(A l1-xS cxN)p h o t o n i c sp
7、 l a t f o r m,a n da no p t i m i z a t i o nm e t h o d i sp r o p o s e d.T h ed e s i g n e dm u l t i p l e x e rw a sb a s e do nc a s c a d e d M a c h-Z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r(MZ I)f i l t e r s,u s i n gd i r e c t i o n a l c o u p l e r sw i t hc u r v e dw a v e g u i d e
8、 st or e d u c ew a v e l e n g t hd e p e n d e n c e.P a r t i c l es w a r ma l g o r i t h m(P S O)w a sa d o p t e dt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fd e v i c eo p t i m i z a t i o na c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o a r s ew a v e l e n g t hd i v i s i o
9、 n m u l t i p l e x i n g(CWDM)a p p l i c a t i o n s.T h et r a n s m i s s i o nq u a l i t yo f f o u r c h a n n e l sw a s i m p r o v e db ya d j u s t i n gt h ed e s i g np a r a m e t e r so f t h ed e v i c es t r u c t u r e.F o rS cd o p i n gc o n c e n t r a t i o n so f 0%,9%a n d2
10、3%,t h ed e s i g n e dm u l t i p l e x e rh a s 1-d Bb a n d w i d t ha sw i d ea sa b o u t1 5.6n ma n dn e g l i g i b l ei n s e r t i o nl o s so f l e s st h a n0.1d B,s h o w i n g“b o x-l i k e”t r a n s m i s s i o nr e s p o n s e.T h ec r o s s t a l k so f f o u rc h a n n e l sa r e l
11、e s s t h a n-3 0.6d B.K e yw o r d s:s i l i c o np h o t o n i c s;WDM;MZ I;s c a n d i u m-d o p e da l u m i n u mn i t r i d e52 半导体光电2 0 2 3年2月第4 4卷第1期陈心逸 等:基于新型掺钪氮化铝的级联马赫-曾德尔结构(解)复用器 0 引言近年来,与互补金属氧化物半导体(CMO S)工艺兼容的A l N材料引起了人们的极大兴趣,A l N已广泛应用于压电微机电系统(MEM S)1-3。在集成光子学中,A l N也被运用于制备电光调制器4、声光调制器
12、5、隔离器6等器件。向A l N中掺杂S c元素可以进一步提升该材料在MEM S和集成光子学中的应用潜力7。已有工艺验证,在4 0%的S c掺杂浓度下,材料压电系数提升了4 0 0%5 0 0%,压电MEM S器件的性能显著提高8。H u a n g等9研究了基于绝缘体上硅(S O I)平台上A l0.6S c0.4N的声光调制器,表现出优异的声光耦合性能,实现微波光子滤波和宽光谱的声光调制。A l N的非中心对称晶体结构使其具有显著的线性电光(P o c k e l s)效应,基于A l N材料的光调制器显示出损耗低和调制速度高的优点1 0。进而人们推测,将S c元素掺杂到A l N中会引起
13、A l N晶体的晶格畸变并增强其电光效应,从而进一步加快其调制速度1 1。作为光通信系统的另一个关键组成部分,粗波分复用(C o a r s eW a v e l e n g t hD i v i s i o nM u l t i p l e x i n g,CWDM)通 常 与 光 调 制 器 在 片 上 集 成。目 前,CWDM(解)复用器主要在S O I平台上实现,得益于S i的高折射率使得其在波导内对光模式具有良好的限制能力1 2-1 6。P a t h a k等1 7设计了硅基阵列波导光栅(AWG)和阶梯光栅的(解)复用器,并对比了其在不同通道间距下的传输性能。L i u等1 8在S
14、 O I平台上设计了 基于级联 多模波 导 光 栅 的 四 通 道CWDM(解)复用器,并通过引入S U-8上包层降低了热灵敏度。但S i与包层材料S i O2的折射率差大(n约为2.0 2)1 9,S i波导较窄,且S i的热光(TO)系数大(约为1.8 61 0-4/K)2 0,所以当器件存在工艺偏差或工作的环境温度发生变化时,会出现明显的波长漂移,影响器件的传输性能。与之相比,A l N材料的TO系数相对较低(3.5 61 0-5/K),与S i O2的折射率差较小(n约为0.5 5)2 1,更有利于降低(解)复用器对环境温度变化和制造误差的敏感度。而目前,基于A l1-xS cxN材料
15、的多路波分(解)复用器仍未见报道。本文首次提出了一种基于S c掺杂A l N的CWDM(解)复用器,在实现与A l1-xS cxN调制器的单片集成的同时,优化器件传输性能,使其在CWDM 4中得到进一步的应用。级联MZ I结 构 有 低 插 入 损 耗、高 带 宽 的 特点2 2-2 3。D w i v e d i等2 4在S O I平 台 上 设 计 了1 0 0G b E的粗 波分复用器,在控制插 入 损 耗 小 于2.5d B的 同 时 实 现 通 道 平 坦 度 达 到1 3n m。X u等2 5在MZ I结构中加入弯曲的定向耦合器和极化旋转器,设计了偏振不敏感的波分复用器,串扰可达-
16、2 4.6 3d B。本文在A l1-xS cxN光学平台上设计了一种 基 于 级 联MZ I结 构 的 四 通 道 滤 波 器,选 用12 7 1,12 9 1,13 1 1,13 3 1n m作为通道中心波长,使用弯曲波导的定向耦合器代替传统结构来改善定向耦合器对波长敏感的现象2 6。所设计器件显示出盒状光谱响应,具有小于0.1d B的低插入损耗和宽达约1 5.6n m的1-d B带宽,满足I T U-TG.6 9 4.2.2 7的规定标准。器件通道间串扰均小于-3 0.6d B,各通道间隔离度高。1 基本原理单级MZ I由两个定向耦合器(D C)和一对相位延迟臂组成,如图1所示,传输光谱使用传输矩阵法(TMM)进行计算2 8。单个D C的传输矩阵为E1E2=c-js-jscE1 0E2 0=D C()E1 0E2 0(1)其中,E1,E2分别为输出端口1和输出端口2的电场强度,E1 0,E2 0分别为输入端口1和输入端口2的电场强度,为D C的耦合效率,同侧端口传输系数c=1-,对侧端口传输系数为-js=-j。而一对相位延迟臂的传输矩阵为d e l a y=e-j 001(2)其