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引言

锥形波导，也称为波束尺寸转换器或模式场适配器，是光子集成线路中的基础构建单元。这些组件提供了不同宽度波导之间或波导与光纤之间的渐变过渡。概念上可以将锥形波导视为一系列短直波导段的连接，这些波导段的宽度逐渐增加或减小。

锥形波导的主要目的是通过确保光学模式的平滑适配来减少耦合损耗。在不同模式尺寸或形状的组件接口处，如果没有适当的模式匹配，会发生显著的功率损耗。锥形波导通过提供渐变过渡来解决这个问题，保持高效的功率传输。

在光子集成线路中，我们主要遇到两种锥形波导：仅在横向扩展或压缩模式的二维波导锥形结构，以及为改善光纤耦合而在横向和纵向同时扩展模式的波束尺寸转换器。

图1：两种锥形波导 - 左侧是允许平滑模式过渡的绝热锥形波导，右侧是锥角过大导致不需要的模式转换效应的锥形波导。

设计锥形波导时，绝热性概念非常重要。绝热锥形波导确保模式轮廓能够平滑适应变化的波导宽度，而不会激发高阶模式或造成辐射损耗。如图1所示，我们可以观察到绝热锥形波导（左）和表现出模式转换的非绝热锥形波导（右）之间的区别。

最佳锥形波导设计需要在长度和插入损耗之间找到适当平衡。虽然短锥形波导有利于紧凑线路设计，但如果锥角过陡，可能会引入更高的损耗。数值模拟工具对精确优化至为重要，但射线理论可以为设计提供有用的初步近似。

图2：在锥形波导边缘处向二阶模式的转换，展示了锥角如何通过射线传播角度影响模式转换。

图2演示了锥形波导中的模式转换是如何发生的。在锥形区域，具有传播角±θ₀（代表基本模式）的射线在反射后将获得角度±(θ₀+2θₜ)。如果这些角度接近二阶模式的传播角±θ₂，则会发生显著的二阶模式转换，如图21.1右侧所示。

从这一分析得出的关键设计规则是，锥角应使反射后的传播角度大约位于基本模式和二阶模式传播角度的中间位置：

θₜ = (θ₂ - θ₀)/4

对于线性锥形波导，设计应基于锥形宽端的传播角度，因为在这里角度差最小，相应地锥角也应该小。

图3：比较线性和抛物线形锥形波导设计，展示了如何沿锥形长度调整局部锥角以适应变化的模式角度差。

为了优化锥形波导设计，局部锥角应适应这种变化的Δθ₀₂，在最大宽度处最小，随着宽度减小而增加。这种方法导致如图所示的抛物线锥形形状。与线性锥形波导相比，抛物线锥形波导以更短的长度实现了更高效的模式转换。

抛物线形锥形波导相对于线性锥形波导的长度减少是适度但有价值的：对于锥比为2的情况，长度减少约25%；对于锥比为4的情况，长度减少约37%，如图4所示。

图4：抛物线形锥形波导相对于线性锥形波导的相对长度，作为锥比的函数，表明抛物线形锥形波导在保持性能的同时可以显著短于线性锥形波导。

图5：这些图表显示了线性锥形波导的插入损耗，分别作为锥角（上）和锥长（下）的函数，适用于浅刻蚀和深刻蚀波导。箭头表示根据理论公式计算的角度。

从图5中，我们可以观察到锥角低于3°时，插入损耗远低于0.1 dB。图中的箭头表示根据理论公式θₜ = (θ₂ - θ₀)/4计算得出的角度及其对应的锥长。有趣的是，这个公式相当保守，实际设计可以缩短近一倍而不会引入显著损耗。

深刻蚀锥形波导可以设计得比浅刻蚀锥形波导更短，因为深刻蚀波导更窄且具有更高的横向约束，允许更快速地锥化而不会引起显著的模式转换。

从图5中可以观察到一个有趣现象：浅刻蚀和深刻蚀锥形波导分别在特定锥长（约25μm和10μm）处表现出最小插入损耗。对于更长的长度，损耗略微增加到最大值（约35μm和14μm），之后再次减少。这种行为是由二阶模式的激发引起的，导致类似于多模干涉（MMI）耦合器中的干涉效应。

这种干涉可用于减少锥形长度，但所得到的非绝热锥形波导对波导几何和偏振变化的容忍度较低。即使在建设性干涉点，插入损耗仍保持在0.1 dB以下，因此较短设计的代价很小。然而，对于需要高模式纯度、制造公差或偏振无关性的应用，建议使用较长的绝热锥形波导。

图6：显示了不同的波束尺寸转换器配置：(a)标准波导位于光纤匹配波导(FMW)之上，(b)标准波导移除后的FMW，以及带有(c)纵向锥化和(d)横向锥化的二维波束尺寸转换器。

在JePPIX代工平台中，这一挑战通过在普通波导下方集成光纤匹配波导(FMW)来解决，如图6(a)所示。FMW是通过在四元波导下方的厚基底层中插入薄四元层创建的。通过精确控制这些层的厚度和位置，模式轮廓可以匹配各种光纤的纵向模式轮廓，包括透镜式、高对比度（3.5-4μm斑点尺寸）或切割光纤（8μm斑点尺寸）。

为了有效运行，FMW的掺杂水平应该较低，使这种方法最适合半绝缘基底，在四元波导正下方有一个薄的n掺杂层，可作为有源组件（如半导体光放大器(SOA)、探测器和调制器）中的n接触。

波束尺寸转换器通过四元波导中基本模式（TE和TM）向下方FMW的绝热转换来运行。通过逐渐将四元波导锥化至零，迫使模式转移到下方的FMW，如图6(b)所示，可以实现这种转换。

波束尺寸转换器中的锥化主要有两种实现方法：

1. 纵向锥化（由Fraunhofer HHI使用）：波导在纵向逐渐锥化，如图6(c)所示，并在图7中以3D方式说明。

图7：这个3D可视化展示了HHI使用的波束尺寸转换器设计，具有从无源波导过渡到具有更大模式尺寸的稀释波导的纵向锥形结构。

2. 横向锥化（由SMART Photonics使用）：波导在横向逐渐锥化，如图6(d)所示，并在图8中说明。

图8：这些SEM图像显示了SMART Photonics平台实现，左侧为标准波导，下方可见FMW层，右侧为SSC锥尖的特写。

纵向锥化需要非平面刻蚀工艺来实现沿锥形的刻蚀深度的渐变变化，需要额外的、控制良好的工艺步骤。相比之下，横向锥化在同时具有浅刻蚀和深刻蚀波导的平台上不需要额外的工艺步骤，但它要求很高的光刻分辨率。模式向下方FMW的转移发生在锥形宽度从约0.5μm减小到0.1μm的区域，需要非常锐利的锥尖，小至100 nm，这需要先进的光刻技术。

为了高效的波束尺寸转换器，建议波导的第一部分快速锥化，而最后部分（发生向FMW的转换处）锥化得更慢。这种方法在保持低损耗运行的同时优化了整体长度。

HHI波束尺寸转换器利用三个薄Q(1.06)层，这些层在表面深处运行，位于所有结构下方。这些层在端面形成稀释波导，提供比标准波导大得多的模式尺寸（10×7μm²）。这种设计允许与单模光纤进行高效且对准容差高的耦合，耦合损耗小于2 dB。与透镜式光纤耦合相比，对准容差显著改善，纵向从±0.25μm增加到±2.5μm，横向从±0.5μm增加到±3.5μm。

SMART Photonics的方法使用横向波导锥形结构，在定义浅刻蚀和深刻蚀波导的相同工艺步骤中形成。这种方法需要高分辨率光刻技术来实现平滑减小至约100 nm的宽度，这在其193 nm扫描仪光刻技术中是可能的。横向模式直径由深刻蚀脊的宽度控制，而纵向直径取决于光纤匹配波导的厚度。这个工艺可以实现低于1 dB的光纤耦合效率。

然而，将波束尺寸转换器集成到标准工艺中会影响现有构建模块的制造工艺和性能。额外的要求包括在正常波导堆栈下方的厚外延层堆栈和额外的深刻蚀步骤，使工艺更加昂贵。因此，这些先进的波束尺寸转换器技术尚未在所有标准代工工艺中提供，但预计将在未来平台中引入。

锥形波导和波束尺寸转换器是光子集成线路中的基本组件，能够实现不同尺寸波导之间以及波导与光纤之间的高效耦合。了解其设计原理和性能特征对于实现具有最小耦合损耗的高性能光子线路非常重要。

从简单的线性锥形波导到具有二维模式扩展的高级波束尺寸转换器，这些组件展示了现代光子集成中需要的精密工程。制造技术的持续发展不断提高这些组件的性能，使其成为光子设计中越来越有价值的工具。

参考文献