作者：Shivaprasad U. Hulyal, Jianqi Hu, Chengli Wang, Jiachen Cai, Grigory Lihachev, and Tobias J. Kippenberg∗

单位：Institute of Physics, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland and

Institute of Electrical and Micro engineering, Swiss Federal Institute of Technology,

Lausanne (EPFL), CH-1015 Lausanne, Switzerland

阵列波导光栅（AWGs）是广泛应用的光子组件，用于分离和合并不同波长的光。它们在波分复用（WDM）系统中起着关键作用，通过实现多数据通道在单根光纤上的高效路由[1]，并作为各种光信号处理、计算、成像和光谱学应用的基础构件[2–5]。近年来，将AWG集成到铁电材料平台中的兴趣不断增加，因为这种平台同时提供高效的电光调制能力，从而有望实现完全集成的WDM发射器。迄今为止，已经在X切薄膜锂铌酸（LiNbO3）平台上进行了多个演示[6–11]，然而，LiNbO3的强各向异性使得AWG的设计复杂化并降低了其性能。为了克服这一限制，我们采用了最近开发的基于薄膜钽酸锂（LiTaO3）的光子集成电路（PICs）平台[12]，该材料具有与LiNbO3相似的Pockels系数，但光学各向异性显著降低，是一种可行的替代平台。

在本研究中，我们使用深紫外光刻技术在晶圆级上制造LiTaO3 AWGs。制造的AWGs具有100 GHz的通道间距、插入损耗<4 dB和串扰<-14 dB。此外，我们首次在LiTaO3平台上演示了一个循环AWG，以及一个多路复用和解复用AWG对。这些AWGs的晶圆级制造不仅确保了均匀性和可重复性，而且为实现铁电光子集成平台上大规模制造集成WDM发射器铺平了道路。

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I. 引言
集成光子学利用光学的宽带宽，从可见光到中红外，推动了光通信 [13]、精密计量 [14] 和光子计算 [15] 等先进技术的发展。这些应用的核心是集成组件，如波分复用器（WDM），它们能高效地分离、路由和合并多个光信号 [16]。例如，WDM可用作多路复用器和解多路复用器，用于通过光纤传输密集并行的信号通道，从而显著提高带宽利用率和网络容量。阵列波导光栅（AWG）因其在波长路由和光谱分析中的多功能性和高效性，已成为基础构件之一 [17, 18]。AWG已广泛应用于多种光子学应用，从通信 [1]、成像 [4]、光谱学 [5]、传感 [19] 到微波光子学 [2] 和光子计算 [3]。

在过去的几十年里，AWG已在多种光子集成平台上得到验证，包括硅 [20]、硅氮化物 [22]、聚合物 [23] 和磷化铟 [24]。最近，已有大量努力将AWG集成到锂铌酸绝缘体（LNOI）平台中 [6–11]，利用其卓越的电光调制能力 [25, 26]。特别是X切锂铌酸（LiNbO3）受到关注，因为它能够支持低驱动电压和高带宽的电光调制器 [27, 28]。然而，在X切LiNbO3中，光波导会经历较大的取向依赖折射率。这种各向异性使得在X切LiNbO3中实现高性能AWG面临挑战。为了解决这个问题，已有研究表明，通过将AWG的对称轴对准45°晶体轴，可以通过抵消各向异性来缓解这一问题 [10]。然而，这种方法可能会使光子电路的整体布局和路由变得复杂，从而增加设备的占地面积。任何偏离最佳对准的情况也可能重新引入各向异性行为，要求更严格的制造公差。

最近，在钽酸锂绝缘体（LTOI）平台上已经展示了低损耗、紧密约束的光子集成电路 [12]，该平台采用了类似钻石碳硬掩膜（DLC）。与LiNbO3相比，集成钽酸锂（LiTaO3）平台提供了类似的Pockels系数，同时由于其在消费电子中的大规模生产，具有更低的晶圆成本 [29]。在该平台上已展示了用于通信的高速光调制器 [30]，具有较低的偏置漂移 [30, 31]、更高的损伤阈值和更宽的带隙。最重要的是，LiTaO3相对于LiNbO3具有超过十倍的光学各向异性降低（∆nLT = 0.004与∆nLN = −0.07）。LiTaO3的这一特性促进了超宽带电光频率梳的生成，超越了双折射的限制 [32]，并使得设计具有紧密弯曲半径的紧凑型光子集成电路成为可能。

在本研究中，通过利用LiTaO3的降低的各向异性，我们展示了在X切LiTaO3上实现AWG，而无需依赖旋转方案或其他复杂的方法来抵消各向异性。我们首次在铁电材料平台上以晶圆规模制造AWG，获得了密集的通道间距、具有竞争力的插入损耗、以及可接受的串扰和晶圆不同区域的均匀性。我们使用了共焦型和罗兰型星形耦合器 [33, 34]，并展示了相当的AWG性能。此外，我们首次展示了一个循环AWG，以及一个匹配的多路复用和解复用AWG对。铁电平台上AWG的晶圆级制造为芯片上的光通信和光谱学系统提供了一个可扩展且具有成本效益的解决方案。

II. 设计与仿真

图1. 基于LiTaO3光子集成电路的阵列波导光栅的设计与仿真
(a) AWG的示意图。插图展示了材料堆叠结构。
(b) 部分刻蚀的LiTaO3波导所支持的各种模式的折射率。
(c) LiTaO3波导上TE0模式在不同波导宽度下的有效折射率及折射率变化。
(d) （左面板）光从输入波导到星形耦合器的衍射仿真，然后耦合到阵列波导，（右面板）光进入输出星形耦合器的仿真，光在阵列波导中积累相位延迟，并在一个输出波导处发生建设性干涉（中央波导为同相照明）。
(e) AWG的仿真传输光谱。

图1a展示了AWG的示意架构。在其核心部分，AWG包括一个输入星形耦合器、一组具有均匀增量路径长度差异的波导阵列，以及一个输出星形耦合器。最初，光信号被注入到输入星形耦合器，在那里它经历平面内的衍射，导致光线以扇形分布，耦合到多个径向路径中。每条路径随后通过阵列中的单个波导传播，其中保持着恒定的长度增量。这个累积的路径长度差异给不同的传播光复制带来了渐进的延迟。光从波导阵列中出来后，进入输出星形耦合器，在那里不同波导上累积的相位相互作用，产生建设性和破坏性干涉图案。最终的干涉使得特定波长的光在指定的输出波导中建设性地干涉，从而有效地解复用输入信号的光谱成分。根据波导孔径在焦平面上的排列，输出星形耦合器可以分为两种主要配置：共焦几何结构和罗兰几何结构。在共焦几何中，输入和输出波导都位于相同半径的圆上，而罗兰几何则将输出波导布置在半径为输入波导半径一半的圆上。在本研究中，这两种几何结构都在薄膜LiTaO3平台上进行了设计和制造。

AWG的设计参数，包括焦距、延迟长度、自由光谱范围、色散和衍射阶次，彼此之间是相互依赖的（参见补充说明1）。这些参数通过波导的有效折射率和群折射率紧密相连，使得AWG的设计过程变得复杂。AWG的设计从选择合适的波导宽度开始。选择的波导宽度应对制造缺陷和模式混合不敏感。图1b中我们选择了在多模态区间内的波导宽度，以最小化由于侧壁粗糙度造成的相位误差 [35]。图1c显示，对于较大波导宽度，TE0模式对波导宽度的变化具有一定的容忍性，因此我们为共焦和罗兰AWG分别选择了1.6 µm和1.8 µm的宽度。此外，我们设计了抛物线形锥形过渡段，连接波导与星形耦合器孔径（参见补充说明3），以实现低损耗的模式过渡 [36]。这些锥形过渡段在高效耦合具有不同横截面尺寸的波导之间的光时发挥了至关重要的作用。阵列波导均匀地弯曲，且弯曲半径相同，以确保它们保持平行，随后添加直线段，以便最外层波导延伸得比内层波导更远。在我们的设计中，采用了欧拉弯曲 [37] 来优化光路由，同时减小传播损耗。具体而言，这些弯曲采用大于300 µm的曲率半径，确保平滑过渡，保持模式完整性，并最小化散射效应。之后，仍然使用直线段进行适当的增量长度偏移。这些波导被重复使用，直到到达输出阵列孔径。在输出星形耦合器中，光场之间的干涉决定了光分布到输出波导的位置。对于给定频率，相位偏移的波的叠加在特定位置产生建设性干涉，对应输出通道的位置。

AWG的仿真（参见补充说明2）包括基于有限差分时域（FDTD）方法的分析方法和数值建模 [17, 34]。首先，模拟光从输入星形耦合器的衍射及其耦合到阵列波导中的过程，如图1d（左）所示。接下来，阵列波导中的光经历由计算得到的波导之间的长度差异确定的精确群延迟。最后，再次使用FDTD模拟光在输出星形耦合器中的传播。如图1d（右）所示，在光在阵列波导中处于同相的中心频率下，光主要聚焦到中央输出波导，并有轻微泄漏到相邻波导，导致串扰。根据输入光的频率，光被引导到输出孔径中的不同波导，形成如图1e所示的传输光谱。该图还展示了用于本研究中AWG的3 dB带宽、通道间距和串扰的定义。

III. 制造

我们使用表面粗糙度为0.25 nm且不均匀度小于30 nm的4英寸（102 mm）LiTaO3晶圆（图2a）来制造AWG（图2b）[12]。LTOI晶圆堆叠包括600 nm厚的单晶LiTaO3层、4.7 µm的热SiO2埋氧化物层和625 µm高电阻率（10 kΩ·cm）的硅支撑基板。LiTaO3光子芯片是基于248 nm深紫外步进光刻（ASML PAS5500/350C）和采用高选择性硬掩膜减法波导制造工艺的 [12]（图2g）。制造过程从DLC硬掩膜沉积开始。多层硬掩膜堆叠通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）沉积，包括30 nm Si3N4层、480 nm DLC层和顶层60 nm Si3N4层。波导图案最初通过在反应离子刻蚀（RIE）系统中使用氧等离子体刻蚀转移到DLC硬掩膜上，利用DLC的优越刻蚀选择性和鲁棒性。随后，使用离子束刻蚀（IBE）在Veeco Nexus IBE350系统中对LiTaO3层进行波导核心的刻蚀。这一步实现了约300 nm的刻蚀深度，保留了300 nm厚的薄板，这使其与高速电光调制兼容 [38]。在IBE过程中，可能会在侧壁上形成非晶再沉积物，这些残留物通过刻蚀后的化学清洗步骤去除，以确保波导轮廓平滑并具有低损耗，如图2c所示。通过ICP-CVD系统（PlasmaPro 100 ICPCVD）沉积800 nm SiO2包覆层。设备分离通过多步骤释放过程完成：首先使用氟基化学刻蚀LiTaO3和SiO2层，随后对硅支撑基板进行深反应离子刻蚀。这个过程产生了平滑的端面，适合通过双层锥形过渡段有效地将光耦合到外部光源，如图2d所示。双层锥形过渡段的设计旨在通过匹配透镜光纤和过渡段的模式场来提高传输效率（3.7 dB光纤到光纤）[参见补充说明5]。

IV. 表征

图3. 制造的LiTaO3阵列波导光栅的表征
(a) DUV步进曝光布局。
(b) 包含八个芯片的光罩设计，在4英寸晶圆上以离散场均匀曝光。
(c) 制造的芯片的光学图像，其中包含一个芯片上的五个共焦8通道100 GHz AWG。
(d) 制造的共焦输出星形耦合器的显微镜图像。
(e) 带有共焦星形耦合器的8通道100 GHz AWG的传输光谱（设备ID：D197_F5_C1_WG_203）。
(f) 制造的罗兰输出星形耦合器的显微镜图像。
(g) 带有罗兰星形耦合器的8通道100 GHz AWG的传输光谱（设备ID：D197_F1_C6_WG_301）。
(h) 1 × 9 x 100 GHz的周期AWG设计（设备ID：D197_F1_C6_WG_301）。

制造完成后，我们使用调谐二极管激光器（通过自参考频率梳（Menlo OFC-1500）校准）对LiTaO3 AWG进行了表征。为了确保线性频率扫描，我们使用激光与频率梳之间的拍频作为参考，校准激光扫描 [39]。LiTaO3波导的传播损耗通过测量同一晶圆中的LiTaO3微谐振器的固有损耗率κ0/2π来获得，结果为κ0/2π = 32.7 MHz，对应传播损耗为5.95 dB/m（图2e和f）。图3a-c展示了晶圆和芯片布局，以及制造的8通道AWG的光学显微镜图像，具有共焦（图3d）和罗兰（图3f）配置，均设计为名义上的100 GHz通道间距。共焦AWG的相应测量输出光谱见图3e，展示了6.14 ± 0.72 dB的插入损耗、101.92 ± 7.54 GHz的3 dB带宽、-13.38 ± 1.64 dB的邻道串扰，以及106.73 ± 8.38 GHz的测量通道间距，所有不确定性均为一个标准偏差。相比之下，图3g中展示的罗兰型AWG光谱显示插入损耗为3.16 dB ± 0.35，3 dB带宽为92.14 ± 16.86 GHz，邻道串扰为-14.67 ± 1.25 dB，通道间距为116.46 ± 13.58 GHz，同样报告了一个标准偏差的不确定性。这些光谱响应在晶圆的多个区域中一致观察到（参见补充说明4），突出了AWG性能在晶圆级上的优异可重复性。此外，测量结果与模拟光谱（图1e）良好吻合，验证了设计和制造方法在这两种配置中的有效性。

配备罗兰星形耦合器的AWG（图3g）还展示了所谓“周期性”或“无色”AWG的特性（图3h）[40, 41]。即，最初通过末端输出通道退出的信号，在其频率增加一个等于AWG通道间距的量时，将再次出现在第一个输出通道。这种周期性行为可用于各种应用，特别是1 × 9波长路由和光学加/减复用器。

图4. 使用阵列波导光栅对进行多路复用和解复用的演示
(a) 制造的被动级联配置的两台AWG的显微镜图像（设备ID：D197_F6_C7_WG_305），展示了光谱路由。左侧AWG的五个输出端直接连接到右侧AWG的五个输入端，创建了一个用于评估被动器件特性的测试平台。插图显示了五个端口。
(b) 经过梳状校准的表征响应，显示了对应五个通道的清晰峰值。
(c) 完全集成发射器的概念，两个AWG之间的调制器用于在LiTaO3平台上对数据进行编码。

接下来，我们实现了一对相同的AWG，按照图4a所示互联。具体来说，第一个AWG的五个通道被路由到第二个AWG，而其余的通道作为监测端口。图4b显示了设备的表征结果，清楚地展示了五个通道的光谱响应。精确的制造对于此配置的正常工作至关重要；任何偏差都可能导致AWG传输响应的对准错误，导致无法检测到输出。这个多路复用-解复用配置是实现完全集成LiTaO3 WDM发射器的关键步骤，如图4c所示，为未来Tb/s级光通信系统提供了路径。

结论
在本研究中，我们报告了首次在基于薄膜LiTaO3的光子集成电路平台上演示的AWG。值得注意的是，这些AWG是被动工作的，无需主动控制或复杂设计，而仅依赖于材料固有的低各向异性。在支持高速调制器的X切LiTaO3上制造的AWG，达到了约100 GHz的通道间距，与ITU网格标准一致，从而为高度密集的芯片上WDM发射器铺平了道路。为了实现这一目标，晶圆级制造AWG是理想的，它提供了一种可扩展、可重复和成本效益高的解决方案，适用于大规模制造。

除了在光通信中的应用外，X切LTOI平台中的AWG也具有许多其他光子学应用的潜力。由于在铁电平台上已经开发出了优越的电光频率梳[32, 42, 43]，AWG可以与频率梳单片集成，增强基于梳状信号的芯片内微波和光学信号处理[2]、光测距和检测[44]、光子计算[15]及量子信息处理[45]。除了本研究中展示的电光频率梳[32]和AWG外，LiTaO3的低各向异性还可能促进该平台中其他线性和非线性功能的开发，例如色散管理模块[46]和受激布里渊散射[47]。这些基础构件将推动LTOI平台的光子系统达到新高度，为下一代通信和计算技术奠定基础。