近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，研發(fā)了一種新型的閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件，實(shí)現(xiàn)了短波中紅外波段硅基波導(dǎo)的高效光場(chǎng)耦合。成果以“Blazed subwavelength grating coupler”為題發(fā)表在2023年1月23日出版的《Photonics Research》上。

短波中紅外波段（2-2.5微米）硅基光子學(xué)近年來獲得了廣泛的關(guān)注。一方面，該波段覆蓋了一個(gè)大氣窗口，且光子能量與很多分子的基頻振動(dòng)能級(jí)躍遷能量相近，在自由空間通訊、測(cè)距、傳感等方面具有諸多應(yīng)用；另一方面，與通訊波段相比，短波中紅外波段的硅的雙光子吸收系數(shù)顯著降低，同時(shí)二氧化硅在該波段也沒有很強(qiáng)的吸收損耗，可以基于標(biāo)準(zhǔn)的多項(xiàng)目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）工藝開展短波中紅外光子集成回路的研發(fā)。

但是，在短波中紅外波段，光纖與芯片的封裝耦合仍面臨著挑戰(zhàn)，特別是，基于MPW工藝開發(fā)的光柵耦合器件面臨著耦合方向性低、衍射場(chǎng)可裁剪性差等問題，嚴(yán)重制約了光纖與硅基波導(dǎo)間的耦合效率。因此，開發(fā)與MPW工藝兼容的高效率短波中紅外光柵耦合器件是一個(gè)非常重要的研究課題。

在本項(xiàng)工作中，研究者們基于標(biāo)準(zhǔn)MPW工藝研發(fā)了一種閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件，實(shí)現(xiàn)了短波中紅外波段硅基波導(dǎo)的高效率光場(chǎng)耦合。如圖1a所示，所研發(fā)的耦合器件設(shè)計(jì)在220 nm標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅-絕緣體晶圓上，由周期性排列的孔狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

在Y方向上，將孔的周期設(shè)計(jì)的小于器件的工作波長(zhǎng)，因此該方向周期排列的孔可被視為具有有效折射率的均勻介質(zhì)。如圖1b所示，在X方向上，每個(gè)孔包含了具有不同刻蝕深度的多層階梯結(jié)構(gòu)，這種多層階梯的閃耀結(jié)構(gòu)可以有效的提升光柵耦合器的方向性（Γ）。

另外，通過調(diào)整Y方向的占空比來切趾光柵耦合器的耦合強(qiáng)度，可以有效的控制耦合器件的衍射光場(chǎng)，增加衍射光場(chǎng)與光纖中的高斯模場(chǎng)的重疊因子（η）。圖1c-e顯示了單層刻蝕的亞波長(zhǎng)光柵耦合器（subwavelength grating coupler）、均勻閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器（uniform blazed subwavelength grating coupler）以及切趾閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器（apodized blazed subwavelength grating coupler）的衍射電場(chǎng)分布仿真。

可見，所設(shè)計(jì)的切趾閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件在方向性和重疊因子上都具有明顯的提升。

圖1.短波中紅外閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器示意圖與仿真結(jié)果。(a)閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器三維示意圖；(b)閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器截面示意圖；(c-e)單層刻蝕亞波長(zhǎng)光柵耦合器、均勻閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器以及切趾閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器的衍射電場(chǎng)分布仿真圖。

所研發(fā)的閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件耦合效率結(jié)果如圖2所示。圖2a為均勻閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與三維時(shí)域有限差分（Three Dimensional Finite-Difference Time-Domain method, 3D FDTD）的數(shù)值仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，均勻閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器在中心波長(zhǎng)2373 nm處具有-6.52 dB的耦合效率以及80 nm的3 dB帶寬，與3D FDTD仿真結(jié)果相吻合。

此外，通過耦合曲線包絡(luò)的巨大抖動(dòng)，以及大約3.9 nm的自由光譜范圍可以判斷均勻閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件具有一個(gè)較大的后向反射，降低了光柵耦合器件的耦合效率。圖2b顯示了切趾閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與3D FDTD的數(shù)值仿真結(jié)果。

結(jié)果可見，切趾閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件在耦合效率、耦合帶寬以及后向反射方面都有很大的改善，在中心波長(zhǎng)2336 nm處具有-4.53 dB的耦合效率。

圖2.短波中紅外閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與3D FDTD數(shù)值仿真結(jié)果。(a)均勻閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件。(b)切趾閃耀亞波長(zhǎng)光柵耦合器件。

審核編輯：劉清