介绍一种新型的闪耀亚波长光栅耦合器件

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授与刘铁根教授课题组，研发了一种新型的闪耀亚波长光栅耦合器件，实现了短波中红外波段硅基波导的高效光场耦合。成果以“Blazed subwavelength grating coupler”为题发表在2023年1月23日出版的《Photonics Research》上。

短波中红外波段（2-2.5微米）硅基光子学近年来获得了广泛的关注。一方面，该波段覆盖了一个大气窗口，且光子能量与很多分子的基频振动能级跃迁能量相近，在自由空间通讯、测距、传感等方面具有诸多应用；另一方面，与通讯波段相比，短波中红外波段的硅的双光子吸收系数显著降低，同时二氧化硅在该波段也没有很强的吸收损耗，可以基于标准的多项目晶圆（Multi-Project Wafer, MPW）工艺开展短波中红外光子集成回路的研发。

但是，在短波中红外波段，光纤与芯片的封装耦合仍面临着挑战，特别是，基于MPW工艺开发的光栅耦合器件面临着耦合方向性低、衍射场可裁剪性差等问题，严重制约了光纤与硅基波导间的耦合效率。因此，开发与MPW工艺兼容的高效率短波中红外光栅耦合器件是一个非常重要的研究课题。

在本项工作中，研究者们基于标准MPW工艺研发了一种闪耀亚波长光栅耦合器件，实现了短波中红外波段硅基波导的高效率光场耦合。如图1a所示，所研发的耦合器件设计在220 nm标准厚度的硅-绝缘体晶圆上，由周期性排列的孔状结构构成。

在Y方向上，将孔的周期设计的小于器件的工作波长，因此该方向周期排列的孔可被视为具有有效折射率的均匀介质。如图1b所示，在X方向上，每个孔包含了具有不同刻蚀深度的多层阶梯结构，这种多层阶梯的闪耀结构可以有效的提升光栅耦合器的方向性（Γ）。

另外，通过调整Y方向的占空比来切趾光栅耦合器的耦合强度，可以有效的控制耦合器件的衍射光场，增加衍射光场与光纤中的高斯模场的重叠因子（η）。图1c-e显示了单层刻蚀的亚波长光栅耦合器（subwavelength grating coupler）、均匀闪耀亚波长光栅耦合器（uniform blazed subwavelength grating coupler）以及切趾闪耀亚波长光栅耦合器（apodized blazed subwavelength grating coupler）的衍射电场分布仿真。

可见，所设计的切趾闪耀亚波长光栅耦合器件在方向性和重叠因子上都具有明显的提升。

图1.短波中红外闪耀亚波长光栅耦合器示意图与仿真结果。(a)闪耀亚波长光栅耦合器三维示意图；(b)闪耀亚波长光栅耦合器截面示意图；(c-e)单层刻蚀亚波长光栅耦合器、均匀闪耀亚波长光栅耦合器以及切趾闪耀亚波长光栅耦合器的衍射电场分布仿真图。

所研发的闪耀亚波长光栅耦合器件耦合效率结果如图2所示。图2a为均匀闪耀亚波长光栅耦合器件的实验测试结果与三维时域有限差分（Three Dimensional Finite-Difference Time-Domain method, 3D FDTD）的数值仿真结果。实验结果可知，均匀闪耀亚波长光栅耦合器在中心波长2373 nm处具有-6.52 dB的耦合效率以及80 nm的3 dB带宽，与3D FDTD仿真结果相吻合。

此外，通过耦合曲线包络的巨大抖动，以及大约3.9 nm的自由光谱范围可以判断均匀闪耀亚波长光栅耦合器件具有一个较大的后向反射，降低了光栅耦合器件的耦合效率。图2b显示了切趾闪耀亚波长光栅耦合器件的实验测试结果与3D FDTD的数值仿真结果。

结果可见，切趾闪耀亚波长光栅耦合器件在耦合效率、耦合带宽以及后向反射方面都有很大的改善，在中心波长2336 nm处具有-4.53 dB的耦合效率。

图2.短波中红外闪耀亚波长光栅耦合器实验测试结果与3D FDTD数值仿真结果。(a)均匀闪耀亚波长光栅耦合器件。(b)切趾闪耀亚波长光栅耦合器件。

审核编辑：刘清