本期是Lumerical系列中無(wú)源器件專題-端面耦合器第一期。首先對(duì)端面耦合器進(jìn)行背景介紹，闡述了其工作機(jī)理，并總結(jié)了其性能指標(biāo)。此外，還對(duì)端面耦合器在水平和垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分類和簡(jiǎn)述。基于絕緣體上硅（SOI）結(jié)構(gòu)的集成光學(xué)芯片是目前光通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，得益于其與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時(shí)需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來(lái)提供光源。但是SOI條形波導(dǎo)與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場(chǎng)面積相差較大，標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖的模場(chǎng)面積大約在70μm2，而波導(dǎo)的模場(chǎng)有效面積通常小于1μm2，在耦合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生極大的模場(chǎng)失配，進(jìn)而產(chǎn)生較大的插入損耗。因此，有效的光纖芯片耦合是提高整個(gè)系統(tǒng)性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3dB，并且?guī)捿^窄，波長(zhǎng)靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無(wú)關(guān)性。
圖1光纖與光子芯片互連原理圖。
端面耦合器最常用的結(jié)構(gòu)是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導(dǎo)，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導(dǎo)相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態(tài)尺寸，無(wú)法完全限制入射模，相當(dāng)大比例的電磁場(chǎng)分布在錐尖周圍。當(dāng)錐形寬度變大時(shí)，它可以支持整個(gè)模式，并將電磁場(chǎng)整體限制在錐形內(nèi)部?？偟膩?lái)說(shuō)，基于其窄尖端對(duì)準(zhǔn)光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場(chǎng)的模式轉(zhuǎn)換為光子波導(dǎo)中壓縮的導(dǎo)模。
在評(píng)估端面耦合器的性能時(shí)，有一些通用的度量參數(shù)，包括耦合效率（或耦合損耗）、器件尺寸、工作帶寬、制造容差和未對(duì)準(zhǔn)容差。
耦合效率：是指端面耦合器內(nèi)部光傳輸和模式轉(zhuǎn)換之后的輸出功率與輸入功率的比率。實(shí)現(xiàn)高耦合效率是設(shè)計(jì)光耦合器的主要目標(biāo)。端面耦合器的耦合效率可以簡(jiǎn)化為多個(gè)因素的乘積，起主要作用的是重疊積分部分，可表示為下式：
其中，E1和E2分別為光纖模式電場(chǎng)的復(fù)振幅和硅波導(dǎo)端面模式電場(chǎng)的復(fù)振幅，A表示模場(chǎng)面積。器件尺寸：考慮到集成密度、制造可行性和封裝難度，器件尺寸是定義端面耦合器優(yōu)點(diǎn)的另一個(gè)重要參數(shù)。由于端面耦合器通常由縱向形狀的錐形組成，因此實(shí)現(xiàn)緊湊的端面耦合器的主要思想是減小器件長(zhǎng)度。工作帶寬：端面耦合器具有大工作帶寬的固有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗诠獾膫鞑ヌ匦远皇枪鈻篷詈掀髦泄獾难苌湫?yīng)工作。大工作帶寬意味著端面耦合器可以在寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)高效穩(wěn)定地工作，對(duì)波長(zhǎng)波動(dòng)不敏感。容差：由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和簡(jiǎn)單性，基于單個(gè)錐形的端面耦合器易于制造且簡(jiǎn)單，并且具有良好的制造偏差容限和未對(duì)準(zhǔn)容限。端面耦合器在水平方向上
的結(jié)構(gòu)變換
線性錐形耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和易于制造，而這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單也導(dǎo)致尺寸極大和耦合效率有限，特別是對(duì)于與具有大光斑尺寸光纖的光耦合。在此背景下，非線形倒錐形結(jié)構(gòu)得到廣泛研究，常見(jiàn)變換包括多截面錐形、拋物線錐形或二次錐形以及指數(shù)錐形，分別如圖2（b）-（d）所示。
圖2倒錐形類型。
（a）線性型；（b）多截面型；
多尖端錐形被廣泛用于提高模式重疊效率，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。該結(jié)構(gòu)由多個(gè)尖端組成的錐面，可形成疊加模式，從而增大模場(chǎng)直徑，能更好與光纖模式進(jìn)行匹配。此外，使用多個(gè)尖端可以提高設(shè)計(jì)自由度，使得小尺寸就能實(shí)現(xiàn)較大耦合效率。而多錐形端面耦合器效果與多尖端錐形類似，其結(jié)構(gòu)如圖3（b）所示。
圖3（a）多尖端錐形端面耦合器；
基于亞波長(zhǎng)光柵的端面耦合器結(jié)構(gòu)如圖4所示。亞波長(zhǎng)光柵的有效折射率由尖端寬度、間距以及占空比綜合決定，因此，可以通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，使其有效折射率最大程度上與光纖模式匹配，進(jìn)而提高耦合效率。
圖4基于亞波長(zhǎng)光柵的端面耦合器
端面耦合器在垂直方向上
的結(jié)構(gòu)變換
圖5是在倒錐形上方放置多個(gè)波導(dǎo)以獲得較大模態(tài)面積的方法。上方波導(dǎo)通常由折射率低于硅的材料制成，如氮化硅和氮氧化硅。下方的倒錐形波導(dǎo)與上方輔助波導(dǎo)支持疊加模式，使得模式區(qū)域變大并于光纖纖芯的模式區(qū)域相當(dāng)，有助于更高效與光纖發(fā)出的光進(jìn)行耦合?？梢酝ㄟ^(guò)改變輔助波導(dǎo)的數(shù)量、材料折射率和方向來(lái)控制最終的模場(chǎng)分布。2. 基于級(jí)聯(lián)多錐形的端面耦合器基于多錐形的端面耦合器不同層的多個(gè)單向錐形組成，其截面由不同層的錐形合并，具有較大的橫截面積，能更好實(shí)現(xiàn)端面耦合。其中最頂層的錐形長(zhǎng)度最短，最底層最長(zhǎng)，這樣設(shè)計(jì)是使上層的光依次傳到最底層。基于其最底層與硅波導(dǎo)連接的類型可分為兩種類型，第一種是每層錐形波導(dǎo)同向級(jí)聯(lián)，如圖6（a）所示；第二種是最底層為倒錐形結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，如圖6（b）所示。
圖6兩種多錐形級(jí)聯(lián)。
基于折射率匹配包層的端面耦合器的結(jié)構(gòu)如圖7所示，與SiO2包層下的Si層不同，它通常使用SiN，SiON和聚合物等其他類型的材料來(lái)設(shè)計(jì)光纖纖芯和硅波導(dǎo)的折射率，當(dāng)匹配包層的折射率接近光纖纖芯的折射率時(shí)可以減少失配。
圖7基于折射率匹配包層的端面耦合器
典型的錐形僅在縱向和橫向尺寸上具有錐形輪廓，而錐形的厚度保持恒定。然而，可以通過(guò)三維錐形來(lái)傳輸來(lái)自光纖的光，如圖8所示。三維錐形以其寬端對(duì)準(zhǔn)光纖，其在結(jié)構(gòu)尺寸方面與光纖芯相當(dāng)。然后，它開(kāi)始在垂直和水平維度上逐漸變細(xì)，以與硅波導(dǎo)連接。通常，三維錐體可以分為兩種主要類型：一種是純硅基3D錐體，另一種是其他類型中間材料輔助的3D錐體。5. 基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的端面耦合器圖9中展示了基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的端面耦合器示意圖。在倒錐形硅結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將BOX層及其下的襯底部分切至一定厚度，露出一個(gè)包覆SiO2的錐形懸臂梁硅結(jié)構(gòu)，將光纖放置在蝕刻槽中，并與懸臂梁結(jié)構(gòu)的切割面對(duì)齊。總的來(lái)說(shuō)，這種基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的端面耦合器以較長(zhǎng)尺寸為代價(jià)實(shí)現(xiàn)了良好的耦合性能。圖9基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的端面耦合器硅光子集成電路中的光互連是實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵問(wèn)題。光纖到芯片光互連的兩種主流范式，即垂直耦合和端面耦合，具有不同的特點(diǎn)，而端面耦合擁有更高的耦合效率、更寬的工作帶寬、對(duì)偏振狀態(tài)的依賴性更低等。本文首先介紹了端面耦合器的研究背景和應(yīng)用，闡述了其工作機(jī)理，并總結(jié)了其性能指標(biāo)。此外，還對(duì)端面耦合器在水平和垂直方向上的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分類和簡(jiǎn)單描述。下一期文章我們將針對(duì)具體的端面耦合器案例進(jìn)行分析。參考文獻(xiàn)：
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