IEEE SiPhotonics2025 | 高效率采用渐变剖面的硅-氮化硅双层波导光栅天线
引言光学相控阵（OPAs）代表了硅基光电子技术的重要进展，提供了芯片级二维光束转向能力。与机械式系统相比，这些器件在创建更经济实惠、完全集成的激光雷达系统方面具有显著优势。然而，在OPAs真正成为激光雷达应用中的竞争技术之前，仍需克服几个挑战，包括提高效率、扩大视场和提升光束分辨率以捕获密集的3D点云数据。
1理解光学相控阵中的波导光栅天线光学相控阵的性能主要由衍射光栅决定，这些光栅控制纵向方向上的光束分辨率。光栅发射器的发散角与其孔径大小成反比。对于单个发射器，孔径大小可以理解为光发射的有效长度。通过增加波导光栅天线（WGA）的孔径大小可以有效提高OPA分辨率，这可以通过降低WGA单元格的散射强度来实现。
一种有希望的方法是在硅波导上引入氮化硅微扰，创建双层设计。这些材料之间的低衰减耦合，结合垂直不对称性，使这种设计非常适合实现高方向性和高分辨率。虽然之前的研究已经展示了各种均匀和渐变剖面的Si-SiN WGA，但许多这些器件的向上衍射效率相对较低（通常低于50%）。
在本文中探讨了一种渐变剖面的半毫米长Si-SiN双层波导光栅天线，其高斯剖面衍射效率达到76%，大大超过了其均匀结构的对应版本。这一改进在不牺牲分辨率的情况下实现，使该器件非常适合高分辨率光学相控阵。
2设计原理与实现均匀Si-SiN WGA设计：均匀Si-SiN WGA设计的几何结构如图1所示。设计的散射强度可以通过改变填充因子或两层之间的耦合进行调整。有趣的是，填充因子变化对散射强度的影响很小，而调整耦合则会导致更显著的变化。
硅和氮化硅层之间的间隙固定为250 nm。要改变两层之间的耦合，可以减少硅层的厚度。使用90 nm的硅厚度，可以实现0.5 mm的设计，在保持高分辨率的同时实现更紧凑的OPA。更大的厚度会导致更弱的耦合，因为模式更加限制，从而导致更长的光栅。图1：均匀Si-SiN WGA设计的示意图，显示了SiN位于Si波导顶部的分层结构，它们之间有250 nm的间隙。
由于设计相当长，模拟使用2D-FDTD（有限差分时域法）和有效折射率方法的组合进行。光栅的参数使用布拉格条件确定。对于均匀WGA，周期(Λ)设为1.008 µm，氮化硅长度(LSiN)设为505 nm。
根据模拟结果，均匀光栅预期在空气中的发射角为31.6°，半峰全宽(FWHM)为0.2°，波长调谐为0.06°/nm。
均匀WGA的实验结果：均匀WGA的实验结果，如图2所示，揭示了模拟和实际性能之间的一些差异。与模拟相比，发射角有6.2°的差异，FWHM有0.09°的差异，突显了2D-FDTD方法在模拟此类光栅时的不准确性。实验波长调谐测量为0.129°/nm，而预测值为0.06°/nm。图2：(a) 由红外相机捕获的均匀WGA发射的线光束图像。(b) 光束的横截面，高斯拟合显示发射角为37.8°，FWHM为0.11°。
渐变剖面Si-SiN WGA设计：为了改善性能，使用Zhao等人开发的策略设计了Si-SiN WGA的渐变剖面版本。这种方法基于每个单元格的散射强度优化衍射光栅，考虑到制造技术定义的散射强度上下限。
光栅被优化为匹配中心在250 µm处、RMS宽度为300 µm的高斯近场剖面。这种配置最大化了光栅的有效长度，同时保持较低的旁瓣，这对光束转向应用是理想的。图3：(a) 氮化硅长度分布和(b) 渐变剖面光栅每个单元格的周期分布，显示这些参数如何沿器件长度变化。
优化算法确定的氮化硅长度(LSiN)和单元格周期(Λ)如图3所示。渐变剖面WGA也使用2D-FDTD方法进行了模拟。天线预期发射角为32.4°，FWHM为0.32°，波长调谐为0.06°/nm。
渐变剖面WGA的实验结果：渐变剖面WGA的实验结果如图4所示。同样，与模拟结果存在差异，发射角有5.7°的误差，FWHM有0.08°的误差。
渐变剖面光栅的分辨率比均匀光栅低0.15°。这可以由渐变剖面光栅的有效长度减少来解释。散射强度不能低到足以匹配性能指标(FOM)所需的剖面。更宽的高斯剖面或均匀发射FOM可能会带来更好的结果。图4：(a) 由红外相机捕获的渐变剖面WGA发射的线光束图像。(b) 光束的横截面，高斯拟合显示发射角为38.01°，FWHM为0.26°。
值得注意的是，渐变剖面WGA的高斯拟合比均匀设计有更好的相关系数。这是预期的，因为近场专门针对高斯曲线进行了优化。渐变剖面光栅的波长调谐为0.130°/nm，约为模拟预测调谐能力的两倍。
功率测量与效率分析：两种设计的WGA都很窄，导致线光束发射，如图2和图4所示。为了测量线光束的总功率，首先表征了线上的功率剖面。功率在一个截面上测量，并根据已知剖面计算这个测量功率所代表的功率分数，从而计算总功率。图5：(a) 均匀WGA和(b) 渐变剖面WGA的测量波前(蓝色曲线)。波前拟合为广义正态曲线(橙色曲线)。
研究发现，广义正态方程适合均匀和渐变剖面WGA的波前。这些剖面如图5所示。使用这些剖面，均匀WGA的向上衍射效率估计为27%，而渐变剖面WGA为76%。2D-FDTD模拟结果预测两种设计都能达到约80%的效率。
均匀光栅的模拟和实验结果之间存在显著差距，需要进一步研究。完整的3D-FDTD设计模拟可能有助于澄清预期结果，特别是关于远场中的预期功率剖面。
实验设置受到相机与WGA之间距离的限制，导致功率剖面欠采样。需要更好的采样来确认广义正态拟合的准确性。
3结论本文展示了使用CMOS兼容工艺的Si-SiN双层WGA，证明了渐变剖面显著提高了向上衍射效率。未来工作应集中在优化波导设计，如垂直衰减耦合。这些设计随后可以集成到OPA系统中，以展示增强的分辨率和功率效率。
这里呈现的研究在开发高效率、高分辨率光学相控阵方面代表了重要进展。通过在渐变剖面设计中实现76%的向上衍射效率—显著优于均匀设计的27%效率—同时保持良好的分辨率特性，这项工作展示了硅基光电子技术在广泛应用领域中实现经济实惠、集成激光雷达系统的潜力。
参考文献 P. Audet and W. Shi, "High-Efficiency Apodized Si-SiN Dual-Layer Waveguide Grating Antenna," in IEEE SiPhotonics 2025.END
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