硅光学习-20-第三章-硅光器件与单模光纤的耦合

hdy

• SOI光器件的优势：尺寸小，利于大规模集成；
• 缺点：光耦合难；
  
  

利用绝缘体上硅（SOI）材料平台可实现的高折射率对比度，能大幅缩小集成光学器件的尺寸。虽然这有利于光学器件的大规模集成，但由于单模光纤与硅波导之间的模场尺寸存在巨大差异，使得与光纤的对接变得极为复杂。

后续将阐述如何利用衍射光栅实现高效、紧凑、容错性强、偏振无关且宽带的光耦合。除用作光纤接口外，还将探讨其在光电元件对接中的应用。最后将展示一种基于单模光纤端面集成衍射光栅的光学探头，这种探头可用于测试绝缘体上硅纳米光子集成电路中的单个元件。

1、纳米光学SOI波导

绝缘体上硅（SOI）正成为大规模光子集成电路最重要的平台。这得益于硅波导芯与二氧化硅或空气包层之间的高折射率对比度。这种巨大的折射率差异使得单个光学元件的尺寸得以大幅缩小，让大规模集成光路更接近现实。此外，这些光子集成电路可采用标准CMOS工艺在200毫米或300毫米晶圆上制造，既能实现低成本量产，又能受益于半导体行业为开发稳定量产的CMOS工艺投入的数十亿美元研发成果。

虽然高折射率对比度波导系统（如绝缘体上硅）的可扩展性程度是其显著优势，但这使得与光纤的接口对接变得极为复杂。单模光纤的模场面积（约100 μm²）与纳米光子单模波导的模场面积（约0.1 μm²）之间的巨大差异便清晰地体现了这一点。这或许是高折射率对比度波导电路在实际应用中面临的最重要问题之一。

2、光纤-芯片耦合问题的解决方案

文献中已提出多种解决光纤-芯片耦合问题的方案。最常见的解决方案是采用模场转换器，将纳米光子波导的模式尺寸转换为光纤模式尺寸。

1）三维绝热锥形结构：与CMOS工艺不兼容

理论上可采用三维绝热锥形结构[1]实现这一目的，通过横向与纵向同时改变硅波导尺寸。但该技术所需工艺与CMOS不兼容，因而限制了实际应用。

图1、三维绝热锥形结构[1]

2）横向倒锥形结构：

第二种改变光子集成电路上光斑尺寸的方法是采用横向倒锥形结构。此类结构将硅纳米光子波导宽度逐渐缩减至100纳米以下（可通过CMOS制造中先进的深紫外光刻技术实现），从而扩大光学模式的尺寸。通过在倒锥结构顶部制作低折射率波导，可实现纳米光子波导与低折射率波导之间的高效耦合[2]。但若要对接单模光纤，则需制备横截面尺寸与单模纤芯相当的低折射率波导。

图2、横向倒锥形结构[2]

该方法存在两大缺陷：

• 集成如此大芯径光波导会在光子集成电路上形成巨大拓扑结构（以CMOS标准衡量），影响后续工艺；
• 将模式从纳米光子硅波导绝热转换至大芯径波导需要长达数千微米的锥形结构，这将抵消采用高折射率对比波导系统提升SOI芯片上光学功能集成密度的优势。
  
  

因此当前实施方案中，倒绝热锥形结构仅限用于透镜光纤对接——此举可将集成电路上的拓扑结构缩减至约3微米（虽仍显庞大但可接受），并将锥形长度控制在数百微米量级（更符合高折射率对比波导电路的典型尺寸）。该方法能实现透镜光纤与纳米光子集成电路间的高效耦合（插入损耗低于1dB）和大光学带宽（通常数百纳米），但需使用特种光纤且对准容差极小。

除特种光纤需求外，该方法最关键的问题在于需要制备抛光端面以实现与光子器件的对接。虽然这是当前光子集成电路（如平面光波导电路、边发射激光二极管等）的标准方法，但大规模光子集成电路的出现需要一种无需单独芯片即可实现光学接口的光纤耦合方案，例如在晶圆尺度上进行光学测试，类似于电子集成电路中的晶圆级电学测试。

3）衍射光栅

因此，研究者提出采用一种新型光学接口技术，通过衍射光栅结构实现标准单模光纤与纳米光子波导电路之间的耦合[3]。

图3、衍射光栅结构[3]

该耦合结构通过传统平面锥形结构实现模场尺寸的横向匹配，而光纤接口则采用衍射光栅将光子集成电路的出射光路重定向至芯片平面之外（反向操作则实现光耦合至光子集成电路）。这种设计使得光纤可从硅基光子集成电路顶部进行对接，无需再使用单独切割的芯片进行耦合。该方法甚至可通过在晶圆级集成光纤对准结构，实现晶圆级封装。

这两个关键优势——即光子集成电路的晶圆级测试可能性和晶圆级封装技术——有望大幅降低器件成本，因为这两项工艺正是整个制造流程中成本最密集的环节。后续将详细阐述高效率、宽波段且偏振无关的光栅耦合器结构的工作原理、设计方案与实验实现。这些结构除用作光纤-芯片耦合器外，还可用于硅基光子集成电路与（倒装焊）光电元件的对接。图4以示意图形式呈现了上述三种光纤-芯片耦合方案的对比。

图4、几种光斑尺寸转换方法的比较，(a)中采用三维绝热锥形结构，(b)中采用横向倒锥形结构）与光纤对接，以及(c)中基于衍射光栅的耦合方案