光柵耦合器學(xué)習(xí)筆記

耦合一直是硅光集成的一個(gè)難點(diǎn)，目前主要有兩種解決方案：

提高光柵耦合效率的一些方案：

此外，Si-SiN雙層結(jié)構(gòu)和雙刻蝕技術(shù)也可以提高耦合效率。

文獻(xiàn)1：

基于快速定向優(yōu)化和強(qiáng)健布局策略的130 nmCMOS工藝中的高效光柵耦合器

將交錯(cuò)蝕刻結(jié)構(gòu)和切趾方法相結(jié)合，得到了C波段內(nèi)的橫向電(TE)模光柵耦合器。交錯(cuò)蝕刻光柵基于發(fā)光光柵的效果提高了方向性。切趾方法通過改變GC[13,14]的場(chǎng)分布，有效地減少了模態(tài)失配。圖1展示了一個(gè)交錯(cuò)蝕刻GC的示意圖。

光柵齒由兩組蝕刻槽定義：淺蝕刻槽和全蝕刻槽。 這里，g1和g2分別表示70nm淺蝕和220nm全蝕槽的寬度，由L1和L2寬度的光柵齒分開。

由于在130nm的CMOSSiP工藝中，光柵結(jié)構(gòu)需要有在140-150nm范圍內(nèi)的線寬才能獲得穩(wěn)定的制造結(jié)果，因此最小特征尺寸設(shè)置為140nm。

設(shè)計(jì)參數(shù)g1、g2、l1、l2、θ采用粒子群優(yōu)化(PSO)方法確定，其中θ表示光纖與SiP垂直面之間的耦合角 。 光纖角度優(yōu)化到15°。參數(shù)g1、g2、l1、l2在所有周期內(nèi)都是不變的，取值分別為158、140、296、140nm。在1547nm處，峰值耦合效率為?1.74dB，

GC的制造 需要至少兩個(gè)蝕刻步驟 ; 這個(gè)過程與常見的制造誤差有關(guān)。我們?cè)诠饪棠z掩模中采用了擴(kuò)展的蝕刻線，每條光柵線擴(kuò)展到兩側(cè)相鄰光柵齒的一半。即使光刻膠掩模偏離了光柵齒最小寬度的一半，光柵齒仍然可以被準(zhǔn)確地定義，相比之下，使用普通掩模的GC不僅會(huì)導(dǎo)致高達(dá)?10dB的額外損失，而且還會(huì)導(dǎo)致中心波長(zhǎng)的偏移，這也與錯(cuò)位方向有關(guān)。

光柵寬度設(shè)置為12μm，以匹配SMF的模式大小(10.4μm) 。錐度長(zhǎng)度被設(shè)置為150μm，以實(shí)現(xiàn)低損耗模式的擴(kuò)展。

透射曲線中的紋波主要?dú)w因于GC[16]中交錯(cuò)溝槽和法布里-珀羅腔的背反射。透射曲線僅在1560nm~1580nm的波長(zhǎng)處有明顯的共振。這主要是由輸入和輸出gc之間形成的法布里-珀羅腔造成的。在波長(zhǎng)為1549nm，3dB帶寬為47nm時(shí)，測(cè)量到的耦合效率為?2.2dB。

文獻(xiàn)二：

超薄中紅外硅光柵耦合器

中紅外(中紅外)集成光子學(xué)在過去的十年中引起了的極大研究興趣。

一方面，在中紅外光譜范圍(2-20μm)范圍內(nèi)，硅器件不發(fā)生嚴(yán)重的雙光子吸收(TPA)或TPA誘導(dǎo)的自由載流子吸收。另一方面，由于瑞利散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)與第四功率的倒數(shù)成正比，因此在中紅外光譜區(qū)域中，由硅波導(dǎo)側(cè)壁粗糙度引入的線性光損耗也可以大大降低。

中紅外硅器件通常是基于頂層硅厚度為數(shù)百納米的硅晶片開發(fā)的 。與厚硅器件相比，數(shù)十納米的薄硅器件可以提供巨大的倏逝場(chǎng)能量比例和光學(xué)模式區(qū)域，在許多生化傳感和非線性光學(xué)應(yīng)用中具有重要意義 。

耦合強(qiáng)度定義為α=0.5/L*ln(P/Pin)[25]，其中L為SWG耦合器的總長(zhǎng)度，Pin為來自波導(dǎo)的輸入功率，P為SWG耦合器后的傳輸功率。仿真結(jié)果表明，懸浮式SWG耦合器的方向性～為65%。

采用fx=0.5和fy=0.4的SWG耦合器的最佳耦合效率為-4dB，最小下背反射為-20dB。

蝕刻了一個(gè)220nm厚的SOI晶片，蝕刻深度為150nm，以保持70nm厚的頂部硅層。然后，在70nm厚的硅層上制備了中紅外超薄SWG耦合器和SWG包覆波導(dǎo)。器件制作完成后，將制備的芯片浸入7.6%稀釋的氫氟酸溶液中90分鐘。氫氟酸可以通過設(shè)備的孔，去除埋氧層 ， 使SWG耦合器和SWG包層波導(dǎo)都懸浮在空氣中 。

由于制作過程誤差，導(dǎo)致實(shí)測(cè)硅的厚度為50nm，偏離了設(shè)計(jì)的70nm。

總之，我們演示了一種超薄聚焦超薄懸浮SWG包層耦合SWG波導(dǎo)耦合器。SWG耦合器在中心波長(zhǎng)為2200nm時(shí)，最大耦合效率為-7.1dB，1-dB帶寬為～115nm。此外，光滑的耦合輪廓表明，SWG耦合器具有較低的背反射。此外，我們還實(shí)驗(yàn)研究了超薄硅彎曲波導(dǎo)的光纖對(duì)準(zhǔn)光容度和彎曲光損耗。我們的研究為開發(fā)用于中紅外應(yīng)用的高性能超薄硅pic開辟了一條途徑。