介紹一種新型的閃耀亞波長光柵耦合器件

近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，研發(fā)了一種新型的閃耀亞波長光柵耦合器件，實(shí)現(xiàn)了短波中紅外波段硅基波導(dǎo)的高效光場耦合。成果以“Blazed subwavelength grating coupler”為題發(fā)表在2023年1月23日出版的《Photonics Research》上。

短波中紅外波段（2-2.5微米）硅基光子學(xué)近年來獲得了廣泛的關(guān)注。一方面，該波段覆蓋了一個(gè)大氣窗口，且光子能量與很多分子的基頻振動(dòng)能級(jí)躍遷能量相近，在自由空間通訊、測距、傳感等方面具有諸多應(yīng)用；另一方面，與通訊波段相比，短波中紅外波段的硅的雙光子吸收系數(shù)顯著降低，同時(shí)二氧化硅在該波段也沒有很強(qiáng)的吸收損耗，可以基于標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）工藝開展短波中紅外光子集成回路的研發(fā)。

但是，在短波中紅外波段，光纖與芯片的封裝耦合仍面臨著挑戰(zhàn)，特別是，基于MPW工藝開發(fā)的光柵耦合器件面臨著耦合方向性低、衍射場可裁剪性差等問題，嚴(yán)重制約了光纖與硅基波導(dǎo)間的耦合效率。因此，開發(fā)與MPW工藝兼容的高效率短波中紅外光柵耦合器件是一個(gè)非常重要的研究課題。

在本項(xiàng)工作中，研究者們基于標(biāo)準(zhǔn)MPW工藝研發(fā)了一種閃耀亞波長光柵耦合器件，實(shí)現(xiàn)了短波中紅外波段硅基波導(dǎo)的高效率光場耦合。如圖1a所示，所研發(fā)的耦合器件設(shè)計(jì)在220 nm標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅-絕緣體晶圓上，由周期性排列的孔狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

在Y方向上，將孔的周期設(shè)計(jì)的小于器件的工作波長，因此該方向周期排列的孔可被視為具有有效折射率的均勻介質(zhì)。如圖1b所示，在X方向上，每個(gè)孔包含了具有不同刻蝕深度的多層階梯結(jié)構(gòu)，這種多層階梯的閃耀結(jié)構(gòu)可以有效的提升光柵耦合器的方向性（Γ）。

另外，通過調(diào)整Y方向的占空比來切趾光柵耦合器的耦合強(qiáng)度，可以有效的控制耦合器件的衍射光場，增加衍射光場與光纖中的高斯模場的重疊因子（η）。圖1c-e顯示了單層刻蝕的亞波長光柵耦合器（subwavelength grating coupler）、均勻閃耀亞波長光柵耦合器（uniform blazed subwavelength grating coupler）以及切趾閃耀亞波長光柵耦合器（apodized blazed subwavelength grating coupler）的衍射電場分布仿真。

可見，所設(shè)計(jì)的切趾閃耀亞波長光柵耦合器件在方向性和重疊因子上都具有明顯的提升。

圖1.短波中紅外閃耀亞波長光柵耦合器示意圖與仿真結(jié)果。(a)閃耀亞波長光柵耦合器三維示意圖；(b)閃耀亞波長光柵耦合器截面示意圖；(c-e)單層刻蝕亞波長光柵耦合器、均勻閃耀亞波長光柵耦合器以及切趾閃耀亞波長光柵耦合器的衍射電場分布仿真圖。

所研發(fā)的閃耀亞波長光柵耦合器件耦合效率結(jié)果如圖2所示。圖2a為均勻閃耀亞波長光柵耦合器件的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與三維時(shí)域有限差分（Three Dimensional Finite-Difference Time-Domain method, 3D FDTD）的數(shù)值仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，均勻閃耀亞波長光柵耦合器在中心波長2373 nm處具有-6.52 dB的耦合效率以及80 nm的3 dB帶寬，與3D FDTD仿真結(jié)果相吻合。

此外，通過耦合曲線包絡(luò)的巨大抖動(dòng)，以及大約3.9 nm的自由光譜范圍可以判斷均勻閃耀亞波長光柵耦合器件具有一個(gè)較大的后向反射，降低了光柵耦合器件的耦合效率。圖2b顯示了切趾閃耀亞波長光柵耦合器件的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與3D FDTD的數(shù)值仿真結(jié)果。

結(jié)果可見，切趾閃耀亞波長光柵耦合器件在耦合效率、耦合帶寬以及后向反射方面都有很大的改善，在中心波長2336 nm處具有-4.53 dB的耦合效率。

圖2.短波中紅外閃耀亞波長光柵耦合器實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與3D FDTD數(shù)值仿真結(jié)果。(a)均勻閃耀亞波長光柵耦合器件。(b)切趾閃耀亞波長光柵耦合器件。

審核編輯：劉清