開發(fā)一種短波中紅外高容差亞波長光柵耦合器

近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授和劉鐵根教授課題組，以及深圳大學(xué)的王佳琦助理教授、香港中文大學(xué)的曾漢奇教授合作研究開發(fā)了一種短波中紅外高容差亞波長光柵耦合器，成果以“Relaxed-tolerance subwavelength grating coupler”為題，2023年1月29日發(fā)表在《Optics & Laser Technology》期刊上。

短波中紅外光子學(xué)在光通信、光測距和光傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。首先，隨著數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量持續(xù)增長，光通信帶寬正逐漸逼近1.55微米波段光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚摌O限，2微米波段光通信是一個(gè)熱門的研究方向；其次，2-2.5微米波段幾乎不與水汽分子在1.7-2.0微米和2.4-3.3微米波長的吸收光譜區(qū)重疊，為自由空間光通信和激光雷達(dá)應(yīng)用提供了低損耗的大氣窗口；并且，2-2.5微米波長的光子能量對應(yīng)于氣體分子的本征振動能級躍遷，為開發(fā)用于環(huán)境檢測、工業(yè)安全的光學(xué)氣體傳感器帶來了巨大的機(jī)遇。

另一方面，由于硅和二氧化硅材料對短波中紅外光的吸收較弱，用于開發(fā)的傳統(tǒng)光通信硅基光子器件的多項(xiàng)目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）工藝，可以方便的轉(zhuǎn)移到短波中紅外波段，用于低成本的開發(fā)高質(zhì)量、高密度的硅基光子集成回路。其中，光柵耦合器是光子集成回路中的關(guān)鍵器件之一。過去的研究表明，在短波中紅外波段，可以基于MPW工藝開發(fā)亞波長光柵結(jié)構(gòu)，提高能量耦合效率。然而，亞波長光柵耦合器對器件的制造誤差比較敏感。因此，開發(fā)與MPW工藝兼容的、高容差的、亞波長光柵耦合器件是一個(gè)有意義的研究課題。

在本項(xiàng)工作中，研究者們研發(fā)了一種高容差亞波長光柵耦合器(Relaxed-Tolerance Subwavelength Grating Coupler, RTSWG)，分析了亞波長光柵耦合器的加工制作可重復(fù)性。如圖1a所示，所研發(fā)的耦合器件設(shè)計(jì)在220 nm頂層硅的硅-絕緣體晶圓上，由周期性排列的孔狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

在X方向上，每個(gè)光柵周期內(nèi)具有兩個(gè)亞波長孔結(jié)構(gòu)，用以克服傳統(tǒng)亞波長光柵耦合器對制造誤差引起的折射率變化的敏感性問題。同時(shí)，雙孔亞波長結(jié)構(gòu)也可以更加靈活的裁剪光柵耦合器的有效折射，優(yōu)化光柵耦合器的耦合效率。圖1b和1c比較了所設(shè)計(jì)的高容差亞波長光柵耦合器和普通亞波長光柵耦合器性能對加工制作誤差的容忍度。理論結(jié)果顯示，高容差亞波長光柵耦合器件在中心波長飄移和相對耦合效率等方面均具有一定的提升。

圖1.短波中紅外高容差亞波長光柵耦合器示意圖與仿真結(jié)果。(a)高容差亞波長光柵耦合器的示意圖；(b)中心波長偏移隨y方向上孔大小變化的曲線。(c)相對耦合效率隨y方向上孔大小變化的曲線。

高容差亞波長光柵耦合器和普通亞波長光柵耦合器的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果如圖2所示。圖2a為高容差亞波長光柵耦合器的實(shí)驗(yàn)測量與三維時(shí)域有限差分（Three Dimensional Finite-Difference Time-Domain method, 3D FDTD）的數(shù)值仿真結(jié)果。結(jié)果可知，高容差亞波長光柵耦合器在中心波長2038 nm處具有-6.2 dB的耦合效率以及約30 nm的1 dB耦合帶寬。

圖2b顯示了普通亞波長光柵耦合器在中心波長2038 nm處具有-8.7 dB的耦合效率以及約40 nm的1 dB耦合帶寬。與普通亞波長光柵耦合器相比，高容差亞波長光柵耦合器的性能具有一定的提升，并具有更好的加工可重復(fù)性。

圖2.高容差亞波長光柵耦合器和普通亞波長光柵耦合器在短波中紅外的實(shí)驗(yàn)測量和3D FDTD數(shù)值仿真結(jié)果。(a)高容差亞波長光柵耦合器。(b)普通亞波長光柵耦合器。

審核編輯：劉清