文章介绍了香港中文大学的曾汉奇教授课题组提出了新颖的方法，可显著增加波导光栅耦合器的光学带宽至超过100nm，同时保持高耦合效率并与标准光刻制造工艺相兼容。原文刊登于2月的 IEEE Photonics Journal [1]。波导光栅耦合器广泛应用于硅基光电子技术中，用于将光耦合到光纤或从光纤耦合出光。它们具有多种优点，包括大的制造公差、在芯片表面灵活定位的能力、与批量测试的兼容性，以及对光纤对准宽容度较高。然而，传统光栅耦合器的主要缺陷是其较窄的光学带宽，通常约为30-40nm，这是由于衍射光栅天生的波长依赖性所致。许多应用，如波长分复用通信、光频率梳发生器和宽带光学传感器，都需要具有更宽带的光栅耦合器。提出的宽带波导光栅耦合器（WBGC）的关键思想是采用中心对称光栅结构，如图1所示。该结构可视为围绕中心对称轴的多个腔体的组合。通过精心设计腔体长度及其互耦强度，我们可以调节谱响应和色散，从而实现宽平顶光学通带。
图1：WBGC的横截面示意图 [1] 。
WBGC中每个腔体由于其独特的长度而具有不同的谐振波长。通过精确调谐这些腔体之间的互耦，整个结构可显现出由个别腔体谐振叠加而成的宽带响应。此外，多腔体设计实现了双程效应，有效缩短了光栅长度并增加了光学带宽，因为带宽与光栅长度成反比。中心对称结构还允许对衍射光束的功率轮廓进行工程设计，使其与光纤模式相匹配，从而实现高耦合效率。另外，WBGC精心设计的色散特性可以补偿波导色散，进一步增强整体带宽。为实现WBGC设计，作者采用了遗传算法优化方法，并约束算法产生中心对称光栅结构。优化中使用的适应度参数是耦合效率和1dB带宽的乘积，通过2D有限差分时域（FDTD）模拟计算。优化的WBGC是针对硅衬底上的氧化物（SOI）外延片设计的，顶部硅层厚220nm，掩埋氧化层厚2μm。聚硅层的厚度为160nm，刻蚀深度为230nm，其中聚硅层被完全刻蚀，晶体硅波导层浅刻蚀70nm。这些参数与商用代工厂提供的标准多项目外延片（MPW）制程兼容，无需任何工艺定制。图2显示了WBGC的最终优化结构参数，包括每个光栅周期的沟槽和齿条宽度。为符合代工厂的设计规则，最小特征尺寸设置为181nm。大多数其他特征尺寸都大于181nm，确保使用深紫外光刻时具有可靠的制造能力。
图2：WBGC的最终优化结构参数 [1] 。
使用3D FDTD模拟对优化的WBGC设计进行了模拟，结果预测在1565nm时耦合效率为-2.91dB，1dB带宽高达109nm，如图3所示。聚焦WBGC的紧凑占地面积为42μm × 24μm，适用于高密度集成和多芯光纤接口。
图3：优化结构的耦合效率光谱 [1] 。
WBGC采用193nm深紫外（DUV）光刻工艺在IMEC提供的多项目外延片制造服务中制造。作者收到约20个芯片，并测量了不同芯片的耦合效率和带宽。实验测量的最佳耦合效率为-3.0dB（不使用匡胶），1dB带宽为108nm，范围为1519nm至1627nm。测量到的最佳1dB带宽为112nm，耦合效率为-3.59dB。在16个光栅耦合器中，峰值耦合效率的平均值为-3.35dB，平均1dB光学带宽为105.6nm。论文图4（a）对比了WBGC的模拟和实验测试传输光谱，显示出良好一致性。图4（b）给出了不同芯片在外延片上的耦合效率和带宽测试结果，说明了其在大规模生产中的制造公差和潜在良率。图5显示了制造的聚焦WBGC的显微镜图像，凸显了其紧凑的占地面积和适用于高密度集成的特性。
图4：（a）WBGC的模拟和实验测试传输光谱，内嵌图显示测量到的Fabry-Perot涨落。（b）不同芯片的耦合效率和带宽测试结果 [1]。
图5：WBGC的显微镜图像。（a）输入光栅。（b）输出光栅 [1]。
WBGC设计在光学带宽和耦合效率方面达到了最先进的性能水平，同时保持了与标准光刻制造工艺的兼容性。中心对称结构结合腔体谐振工程和色散补偿，实现了超过100nm的1dB带宽和-3.0dB的高耦合效率，非常宽带和平坦的传输特性使WBGC适用于各种应用，如粗波分复用（CWDM）收发器、集成光频率梳源、宽带集成光学光谱仪以及其他宽带应用。此外，对制造工艺偏差的大容忍度确保了在大规模生产中的高良率。文章展示了显着增强波导光栅耦合器光学带宽的新颖概念方法，并通过使用商业代工服务进行了实验验证。这项工作代表了硅基光电子技术领域的重大进展，为实现高性能、宽带的集成光子器件和系统开辟了道路。[1]X. Zhou and H. K. Tsang, "Photolithography Fabricated Broadband Waveguide Grating Couplers With 1 dB Bandwidth Over 100 nm," in IEEE Photonics Journal, vol. 16, no. 1, pp. 1-6, Feb. 2024, Art no. 6600206, doi: 10.1109/JPHOT.2023.3344361.
微信公众号 
bilibili 
微信视频号