基于150 nm厚氮化硅浅刻蚀脊形波导定向耦合器的耐制备偏差RGB激光合束器数值设计

《Photonics》：A Fabrication-Tolerant RGB Laser Combiner Based on a Shallow-Etched Rib-Waveguide Directional Coupler

　　

全彩色全息光学元件（HOE）制备需要红、绿、蓝激光束实现精确空间重叠，而传统自由空间光束合束系统难以保持这种重叠，尤其对于高分辨率近眼显示而言更是如此。在本工作中，研究人员提出了一种基于150 nm厚氮化硅平台上浅刻蚀脊形波导定向耦合器的耐制备偏差RGB激光合束器数值设计。该器件采用超模分析和耦合模理论（CMT）进行设计，在横电（TE）模式下工作于450、520和640 nm。与条形波导RGB合束器相比，脊形波导设计对侧壁角偏差表现出更低的敏感性：对于高达8°的偏差，蓝光加入阶段的耦合模理论计算显示，平均输出功率下降0.6%，而条形波导设计为2.5%。在标称几何下，对两个合束阶段分别进行三维时域有限差分（3D FDTD）仿真（包括输入和输出S弯），预测优化后RGB合束器的总红光、绿光和蓝光输出功率分别为97.8%、99.6%和99.9%，其占地面积为128.15×6.22 μm²。该器件还表现出对波长偏差的低敏感性。这些结果表明，浅刻蚀脊形波导RGB合束器在HOE原型制作及相关多色光学系统中，具有实现紧凑、高效且耐制备偏差的RGB光束合束的潜力。

研究背景与问题：增强现实显示因提供新颖视觉体验而受到关注，透明纳米膜制备技术被广泛研究以推动其商业化。全息光学元件（HOE，通过全息记录形成的光学元件）因可利用空间光调制器（SLM，可调制光场的器件）实现灵活光学设计，并具有卷对卷大面积制备潜力而具吸引力。然而，高分辨率近眼显示要求HOE膜像素尺寸进一步减小。全彩色HOE膜原型制作通常使用二向色镜（DM，按波长反射或透射的合束镜）合束红绿蓝激光，三激光光斑的精确空间对准对于获得颜色均匀性至关重要；当像素尺寸极小时，维持该对准需要机械复杂系统和精确检测系统验证光束位置，从而增加整体装置复杂度。光子集成电路（PIC，在芯片上集成光波导与器件的平台）也可作为光合束器，由于导波红绿蓝光束居中于波导中，光束对准问题可显著缓解；但制备偏差会使实际器件偏离标称设计，尤其侧壁角偏差可显著影响耦合效率，即目标波导处的归一化输出功率。该研究因此提出基于150 nm厚氮化硅（SiN）芯层浅刻蚀脊形波导定向耦合器（DC，通过相邻波导间模式耦合分配光功率的器件）的RGB激光合束器数值设计，利用波长相关耦合合束RGB光，并以超模分析和耦合模理论（CMT，描述波导间功率交换的分析方法）优化波导几何和相互作用长度；同时与条形波导设计比较，量化对侧壁角偏差的改进容差，并用三维时域有限差分（3D FDTD，直接求解时域麦克斯韦方程的数值方法）仿真评估合束性能和波长敏感性。该研究总体结论是，该设计在保持高输出效率的同时降低了对制备变化的敏感性，为全彩色HOE原型制作及相关多色光学系统提供了紧凑RGB合束途径。

关键技术方法：采用超模分析与CMT设计DC，用Ansys Lumerical MODE求解对称和反对称超模的有效折射率及耦合长度；SiN层厚150 nm，匹配LIGENTEC AN150平台，上下包层为二氧化硅（SiO₂）背景，TE模式工作于450、520、640 nm；设计条形波导与浅刻蚀脊形波导DC并扫描侧壁角偏差，另扫描波导宽度、间隙宽度、残余平板高度和SiN厚度；用Lumerical FDTD进行三维仿真，计入输入和输出S弯（S-bend，用于波导横向位移的弯曲结构），分阶段仿真两级合束结构，并考察波长偏差。样本队列来源不适用。

研究结果：
3.1 条形波导与脊形波导定向耦合器的侧壁角敏感性及其他参数敏感性：通过设计条形和脊形两个DC，使520 nm绿光在约21 μm距离实现完全耦合且间隙宽度相同，并进行侧壁角偏差扫描。结果表明，随着偏差增大，模式在波导中约束增强，耦合长度增加；脊形波导DC的耦合长度增加0.94 μm，条形波导DC增加3.01 μm；耦合效率损失分别为0.4%和4.0%，表明脊形波导DC在制备过程中更稳健、对侧壁角偏差更不敏感。附加参数扫描显示，总SiN厚度可在沉积时控制，残余平板厚度可通过部分刻蚀深度校准；波导宽度和间隙宽度的已知系统偏差可在工艺表征后通过掩模版图调整部分补偿，但随机尺寸变化仍存在；侧壁倾斜会改变整个刻蚀深度的截面轮廓，仅靠平面尺寸补偿通常不能恢复目标几何，因此后续讨论聚焦侧壁角偏差。

3.2 RGB合束器及其侧壁角敏感性：通过设计脊形和条形RGB合束器，计算耦合长度比并扫描侧壁角偏差。脊形RGB合束器Design 3长度设为43.9 μm，计算得到红、绿、蓝耦合长度分别为11.03、21.48、43.83 μm，比例为1:1.95:3.97；条形RGB合束器Design 4长度为28.2 μm，红、绿、蓝耦合长度分别为7.03、13.96、31.98 μm，比例为1:1.99:4.55。合束目标为蓝光完全耦合、红绿光零耦合。Design 3平均输出功率为99.8%，Design 4为98.8%且蓝光耦合损失3.4%。在8°侧壁角偏差下，脊形RGB合束器仍保持平均输出功率99.2%，条形RGB合束器平均输出功率下降2.5%，脊形设计变化更小。文中指出，在商用SiN代工工艺预期侧壁角偏差范围内，脊形RGB合束器保持99.8%，条形设计下降0.6%，表明所提设计对实际制备偏差具有较大裕量。

3.3 脊形波导RGB合束器的FDTD仿真与波长敏感性：通过MODE求解器检查单模条件，Design 3的孤立220 nm宽脊形波导在450、520、640 nm仅支持TE和TM基模。3D FDTD场演化显示，蓝光几乎全部从一波导耦合至另一波导，而红绿光保留在原波导，确认有效RGB合束。FDTD给出稍短的最佳合束器长度43.4 μm，略低于CMT结果；CMT与FDTD最佳长度差0.5 μm被归因于两种方法理想化程度不同，CMT由二维超模分析获得并假设均匀耦合器截面对称和反对称超模间理想正弦功率交换，而3D FDTD捕捉三维场分布演化。计入输入和输出S弯并分阶段仿真后，stage 1将绿光和红光路由至下输出波导，stage 2将蓝光与红绿光合并到同一输出；总输出功率红、绿、蓝分别为97.8%、99.6%、99.9%，对应插入损耗0.095、0.019、0.004 dB，优化结构占地128.15×6.22 μm²。在文中考察的波长偏差范围内，红、绿、蓝输出功率分别保持高于90.8%、90.6%、95.9%，对应插入损耗0.421、0.427、0.182 dB。HOE记录中，最大波长偏差使红、绿通道输出功率下降会移动记录膜白点，因为记录衍射光栅竞争可用折射率调制；但三输入激光功率可独立调节，可通过预先调节输入功率恢复白点，因此该偏差不限制合束器实际工作。商用RGB激光二极管发射线宽很窄，线宽本身不限制合束器工作；波长容差需与制备容差共同考虑，几何偏差改变有效折射率差，从而移动满足交叉长度条件的波长，其作用类似光源光谱失谐，制备诱导光谱失谐预计主导并限制实际工作，而非激光线宽。该研究目前处于仿真阶段，结果为理想情况；实际制备器件还会受到波导传播损耗、弯曲损耗（如弯曲表面粗糙度导致）等影响，实际性能预计略差于上述仿真结果。与代表性集成RGB合束器比较，二氧化硅平面光波电路（PLC）定向耦合器插入损耗低但纵向尺寸仍为毫米级；SU-8多模干涉（MMI）器件可实现较低模拟损耗但保持毫米级长度；SiN双模干涉（DMI）和MMI器件更紧凑。该工作目标波长为450、520、640 nm，占地128.15×6.22 μm²，模拟插入损耗低于所列其他器件，且占地显著小于二氧化硅PLC和SU-8实现。

讨论总结：仿真结果表明，所提脊形波导RGB合束器实现高效RGB光束合束，同时保持对侧壁角偏差的高容差；根据3D FDTD和CMT结果，在讨论给出的侧壁角偏差情形下，红、绿、蓝输出功率下降在1.5%以内。脊波导已报道比条形波导具有更低传播损耗，提示脊形波导RGB合束器具有低插入损耗潜力。该工作仍为理想数值研究，实际制备器件可能因锥形结构、波导传播损耗、弯曲损耗等具有更高损耗。该设计虽面向HOE膜原型制作提出，其概念也可应用于光通信用近红外波长合束系统以及多色光学引擎开发；该工作表明通过调整器件设计降低其对制备偏差的敏感性是可能的，有助于放宽此类器件的制备要求。

研究结论翻译：尽管该设计是针对HOE薄膜原型制作提出的，该概念也可应用于光通信的近红外波长合束系统以及多色光学引擎的开发。该工作表明，通过调整器件设计来降低器件对制备偏差的敏感性是可能的。这有助于放宽此类器件的制备要求。