从光通信、量子技术到人工智能，光电芯片（PIC）在各种应用领域都获得了显着的发展。然而，光子集成电路要得到广泛应用，一个关键的要求就是要有高效的光纤到芯片耦合接口。光栅耦合器可以在平面外衍射光并将其耦合到光纤，为密集集成和晶圆级原型开发提供了一种前景广阔的解决方案。然而，在氮化硅（SiN）或薄膜铌酸锂（TFLN）等低指数光电子工艺平台上，有限的散射强度阻碍了实现与硅基光电子技术相当的耦合效率。Scientific Report在2024年二月的文章”Scalable and efficient grating couplers on low-index photonic platforms enabled by cryogenic deep silicon etching”，介绍了低指数光电子工艺平台上实现高效光栅耦合器的灵活策略。通过将设计为负衍射角的自成像光栅与利用低温深反应离子刻蚀（DRIE）技术在光栅结构下图案化的金属背反射器相结合，我们可以克服散射强度降低的限制，实现接近于一的耦合效率。这种方法既不依赖最佳材料折射率，也不依赖工程薄膜厚度和蚀刻深度，因此可用于各种低折射率平台[1]。1.耦合效率组件： 光栅耦合器的耦合效率可模拟为三项贡献的乘积，散射效率（η1）、衍射光束与光纤支持的基本光模之间的二维重叠积分（η2）以及衍射过程的方向性（η3）。2.散射效率和模态重叠：只要输入波导中的背反射可以忽略不计，就可以通过设计具有足够数量光栅齿的光栅耦合器来实现接近统一的散射效率（η1）。要优化模态重叠（η2），必须满足两个条件： （a） 衍射光束必须具有类似高斯的轮廓，以及 （b） 辐射光束和基本光纤模的模场直径（MFD）必须沿纵向和横向相同。3.自成像光栅耦合器：为了同时实现高散射效率和最佳模态重叠，采用了负衍射角设计的自成像光栅耦合器。这种设计方法可使高斯衍射光束在距离电路平面约 100-200 μm 处产生聚焦效应，从而精确匹配光纤支持的空间模式。4.光栅设计与模拟：光栅耦合器设计用于在电信 C 波段使用 TE 偏振光。利用二维有限域时差分（FDTD）模拟和高斯光束传播的分析公式，对光栅周期、填充因子和光栅齿数进行了优化。光栅齿的形状为同心圆弧，以匹配光束的圆形波面，并沿横向实现聚焦效果。锥齿的开口角度和长度设计用于使衍射光束的 MFD 与焦点处横向的光纤模式相匹配。
图 1 详细描述了光栅耦合器的结构和性能
（a） 图中显示了光栅耦合器的纵向结构，突出显示了光栅周期Λ和填充因子（FF=d/Λ）的线性光栅化。这种设计可确保穿过设备的光线以类似高斯的形状向上发射，并聚焦在电路平面上方的特定距离。图中还显示了置于光束腰部的光纤，以及红色标注的各种元件，包括波导 （WG）、光栅和连接这些元件的锥度。
（b） 耦合器的三维视图显示，光栅齿为同心圆弧形，由于负衍射角的作用，它不仅能在纵向上聚焦衍射光束，还能在横向上聚焦衍射光束。锥形开口角为 70°，长度与第一个光栅齿到光束腰部纵向位置的距离相匹配，有助于在光束聚焦点横向获得所需的模场直径（MFD）。
（c） 波长为 1550 nm 的二维有限差分时域（FDTD）仿真显示了耦合器的外耦合效率，显示了-12°角的衍射光束和电路平面上方约 175 µm 的焦点。
（d） 光束腰部的模拟模式场剖面与 1550 nm 波长处标准单模光纤（SMF-28）的 MFD 对应的高斯函数进行比较，显示两者非常接近。
（e）1500-1600 nm 波长范围内的 Poynting 通量光谱显示了向上和向下衍射光、光栅端部透射光和背向反射光的光功率分布，其值归一化为光栅的输入功率。
1.起始材料和准备： 制作过程从一个 20 × 20 平方毫米的芯片开始，该芯片由沉积在 3.33 μm 厚 SiO2 层上的 330 nm 厚 SiN 薄膜组成，热生长在 525 μm 厚的 Si 手柄上。芯片在 1100°C 下退火，以减少氮化膜的吸收损耗。
2.低温深硅蚀刻：通过光刻技术和硅柄的低温 DRIE，在样品背面形成密集的二氧化硅膜窗矩阵。低温 DRIE 使膜窗的侧壁接近垂直，这是容纳大量光栅齿的光栅耦合器的关键要求。与传统的湿法蚀刻相比，这是一个显著的优势，因为传统的湿法蚀刻会产生倾斜的侧壁，从而限制了膜的最大尺寸。
3.光栅耦合器图案化： 包括光栅耦合器在内的 PIC 采用电子束光刻法在氮化硅正面制作，使用负抗蚀剂，然后进行反应离子蚀刻。
4.金属背反射器沉积： 最后，通过直流磁控溅射在样品背面沉积一层铝膜，作为金属背反射器，以增强衍射过程的方向性。
图 2：（a）20×20 平方毫米芯片的照片，通过对硅柄进行背面蚀刻，制作出密集的膜窗矩阵。Te 制成的膜只含有几微米的材料，因此是透明的。（b） 完成样品的光学显微镜图像，显示了金属镜面上的几个光栅耦合器图案。耦合效率测量： 使用装有 SMF-28 光纤的 V 形槽光纤阵列测量了制作好的光栅耦合器的耦合效率，该阵列的抛光角为 8°。来自可调谐激光源的连续波激光通过其中一个光栅耦合器耦合到 PIC 中，并在另一个耦合器上记录透射光。
耦合效率高： 在 330 nm 厚的氮化硅薄膜上制作的全蚀刻光栅耦合器，在电信 C 波段的峰值耦合效率为 -0.55 dB（线性比例为 88%）。
带宽和可重复性： 虽然与传统设计相比，自成像光栅耦合器的带宽较窄，但通过调整光纤位置和优化不同对准波长的传输，可以在整个电信 C 波段恢复较高的耦合效率。
图 3a 显示了所测得的最佳器件耦合效率与输入激光波长的函数关系，耦合效率峰值为 -0.55dB。该值与在硅衬底平台上获得的最佳效率相当，与使用透镜或超高数值孔径（UHNA）光纤的最先进边缘耦合器相比也具有竞争力。图 3b 展示了同一器件的耦合效率频谱，该器件是在 1535-1595 nm 范围内使用不同的对准波长测量的。图 3c 显示了同一器件的峰值耦合效率与对准波长的函数关系，对准波长在 1500-1600 nm 范围内变化。图 3d 显示了在同一光电芯片上图案化的十个相同器件的峰值耦合效率，证明了制造过程的可重复性。测试光栅的有效 1 dB 带宽约为 100 nm。此外，该制造工艺的芯片级器件良率高达约 97%，大多数器件的耦合效率始终大于 -1 dB。文章介绍了在氮化硅或薄膜铌酸锂等低指数光电子技术平台上实现高效光栅耦合器的灵活方法。通过将设计为负衍射角的自成像光栅与使用低温 DRIE 进行图案化的金属背反射器相结合，在实验中展示了电信 C 波段 -0.55 dB 的耦合效率。这种策略为实现垂直耦合器开辟了一条实用的道路，其耦合效率接近一，这是在光通信、量子技术和人工智能等各种应用中实现可扩展光电子技术的关键要求。[1]Lomonte, E., Stappers, M., Krämer, L. et al. Scalable and efficient grating couplers on low-index photonic platforms enabled by cryogenic deep silicon etching. Sci Rep 14, 4256 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-53975-4
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