硅光学习-23-多波段光栅耦合器

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上一节讲述的光纤-芯片耦合结构均展现出约40-50nm（80-100nm）量级的1dB（3dB）光学带宽。虽然这对于单波长与光子集成电路对接的应用场景已足够，但在某些应用中，需要更宽带的光学接口，因为不同波段的光信号需要通过光子集成电路进行处理。例如在光接入网络的集成收发器中就是这种情况，需要将1310nm光信号（即上游用户侧信号）和1490/1550nm光信号（用于下行模拟和数字信号）耦合到光子集成电路中。

这类应用同样能受益于采用衍射光栅与光纤对接的设计。如图1a所示，此时一维光栅结构的两个接入波导都被充分利用。通过使一个波段的波长正向耦合，第二个波段的波长反向耦合，可将衍射光栅设计成同时满足两个波长波段布拉格条件的工作模式。该方案不仅能高效耦合双波段至光子集成电路，还实现了波长双工传输——这正是集成化收发器等应用场景的关键需求。

图1、（a）一维光栅双工器结构概念图及（b）多晶硅覆盖光栅的器件仿真性能

为实现最佳性能，需对所有器件参数进行优化：包括光纤倾斜角度、光栅周期、光栅刻蚀深度、占空比以及光栅周期数。这可通过粒子群优化算法或遗传算法等专用优化算法实现，这些算法基于二维时域有限差分(FDTD)和本征模展开仿真构建。

与前一节讨论的单波段光栅耦合器类似，采用相同方法可提升光纤耦合效率。例如，运用多晶硅覆盖层技术增强光栅结构的方向性后，如图1b所示，对于1310nm米和1490nm双波长可实现约-2.5dB的耦合效率，其对应的3dB光学带宽分别为55nm和60nm。

这些光栅双工器结构面临的一个重要问题，尤其是当它们应用于上行/下行配置时，在于（耦合输出的）上行波长信道会寄生耦合至下游波导中，从而产生串扰（见图1a）。虽然在对两个波长波段都优化了最佳耦合效率的光栅结构中，相当大比例的光通常仍有−10dB的串扰从上游波导通道耦合至下游波导，这一问题可通过在下游波长路径中加入波长滤波器来改善，从而实现高光纤-芯片耦合效率与低串扰特性的结合。采用一维光栅双工器与光学滤波器的组合方案，可提升串扰性能（同时保持其他性能指标）。实验成功实现了将1490nm和1550nm波长信道分离的功能。

该设计采用"标准"光栅方案，通过直接在硅波导层刻蚀光栅线条实现。这款波长滤波器被设计为平面凹面光栅滤波器，实现了上游波长信道在下游波长路径中超过30dB的抑制，并完成对1490nm与1550nm波长信道的解复用。

图2展示了该光子集成电路的制备成品及实验测得的光纤-芯片耦合光谱。

图2、(a) 一维光栅双工器在上行和下行波长通道的光纤-芯片耦合效率谱；(b) 制备的光子集成电路显微图像，该电路包含一个一维光栅双工器和一个平面凹面光栅，用于分离下行波长通道，同时将上行波长通道的串扰抑制在-30 dB以下