一种新型的硅基亚波长光栅耦合器设计

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的光子芯片实验室与深圳大学合作，设计开发了一种新型的硅基亚波长光栅耦合器，可以同时实现超高再现性、超宽带宽、超低反射的波导光场耦合。成果以“Silicon subwavelength grating coupler with ultra-high reproducibility, ultra-wide bandwidth, and ultra-low back reflection”为题发表在2024年8月1日出版的《Journal of Lightwave Technology》期刊上。

短波中红外（short-wavelength mid-infrared, SWMIR）硅光子学在光通信、测距和传感等领域有着广阔的应用前景。首先，随着2 μm光通信和光谱应用需求的增加，SWMIR波长成为探索硅光子学的新方向。与通信波段相比，SWMIR硅光子器件具有较低的瑞利散射和双光子吸收光学损耗，因此在高功率应用方面具有很高的应用潜力。此外，SWMIR波段的光子能量对应于一些气体分子的基本振动跃迁，如甲烷、碳氧化物等，这为片上气体传感提供了巨大的潜力。与通信波段类似，SWMIR硅光子器件可以使用多项目晶圆（Multi-Project Wafer, MPW）服务来制造。其中，SWG耦合器是硅光子集成回路的重要组成部分，用于光纤和波导之间的光耦合，具有折射率（Refractive index, RI）剪裁灵活和制造工艺简单的独特优点，在过去十年得到了广泛的研究。然而，传统亚波长光栅耦合器在其耦合效率、耦合带宽、背向反射以及可重复性之间存在权衡的限制，使得同时实现高效率、宽带宽、低背反、高容差仍具有挑战性。因此，开发一种兼具高性能和高容差的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，研究者们介绍了一种新的设计打破硅SWG耦合器件的这种权衡，能够同时实现高性能和高再现性，用于高效稳定的光耦合。如图1a和1b所示，所采用的方法是基于超薄顶硅层以及在亚波长结构的低有效折射率斜率区域，即较大的亚波长占空比区域（图1b中蓝色阴影区），设计SWG光栅耦合器。在仿真设计中，通过人为引入占空比来模拟制作过程中的误差，仿真结果表明，比起先前研究中的220 nm厚耦合器，所提出的SWG耦合器对于所引入的占空比变化，在波长偏移、相对耦合效率变化方面均展现出超高容差，同时也具有更宽的光学带宽和更低的背向反射，如图1c-f所示。

图1所提出的SWG耦合器的原理以及仿真结果。(a)SWG耦合器俯视示意图。(b)不同亚波长占空比下SWG结构的RI和RI斜率。引入占空比变化δFy对220 nm小占空比和70 nm大占空比SWG耦合器在(c)波长偏移、(d)相对耦合效率变化、(e)1-dB带宽、和(f)背向反射等方面的比较。蓝色阴影区域表示70 nm厚SWG耦合器的性能变化范围。

基于上述仿真结果，研究者们利用高分辨率的纳米制造设备和多项目晶圆（Multi-Project Wafer, MPW）服务制作了光栅耦合器。利用纳米制造设备加工的SWG耦合器可同时获得-5.5 dB的耦合效率、～160 nm的1-dB带宽、低于-21.2 dB的背向反射，同时对0.2的占空比变化表现出高制造再现性，实验结果如图2a和2b所示。利用MPW服务制作的SWG耦合器测试结果如图2c和2d所示，相比220 nm厚SWG器件，亚波长占空比变化对所提出的SWG器件耦合效率和中心波长的影响可忽略不计，并且，极小的F-P腔波纹抖动也证实了其低背反射的优势。总之，本项研究可以同时实现超高再现性、超宽带宽以及超低背向反射的高效光耦合，为开发具有高性价比和高可重复性的硅SWG耦合器提出了新的思路。

图2利用纳米加工设备和MPW服务制作的SWG耦合器的实验测量结果。采用纳米加工设备制作的(a)三个相同的70 nm厚SWG耦合器与(b)占空比变化的70 nm厚SWG耦合器实验结果。利用MPW服务制作的占空比变化的(c) 220 nm厚SWG耦合器与(d) 70 nm厚SWG耦合器的实验结果。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的硕士生张舒蛟、副研究员张尊月老师以及博士生郭荣翔，通讯作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授与深圳大学物理与光电工程学院的王佳琦副教授。该工作得到了国家自然科学基金（62175179, 62161160335）、天津市自然科学基金（23JCJQJC00250）广东省自然科学基金（2022B1515130002, 2023A1515011189）项目的支持。