应用于完全垂直光耦合的变迹双向光栅耦合器
发布人:石嘉  发布时间:2020-07-11   浏览次数:11

20191015日,我院教师张赞允等在国际著名光学期刊Optics Letters在线发表了题为“High-efficiency apodized bidirectional grating coupler for perfectly vertical coupling的论文, 团队研究方向为硅基光电子器件集成及应用。该工作的合作单位包括英国南安普顿大学光电子研究中心、中国科学院半导体研究所集成光电子国家重点实验室。论文链接为:https://doi.org/10.1364/OL.44.005081

光栅耦合器作为硅光子芯片与片外光源的接口,其具有耦合容差大、可随意放置、无需端面抛光、晶圆级测试等一系列优点。为了避免较强的二次反射,研究人员通常采用轻微偏离垂直角度的斜入射光栅耦合器,又采用多步刻蚀、衬底反射镜、多晶硅覆盖层以及变迹光栅的方法进一步提高耦合效率,改善光栅方向性和模式匹配等问题。近年来,能够有效减小寄生反射的完全垂直光栅耦合器也吸引了较多的关注。与传统斜入射耦合相比,完全垂直耦合具有易于对准封装、无需角度抛光等优势。特别是对于耦合损耗与入射角和空间位置极度敏感的多模光纤(MCF)和垂直腔面发射激光器(VCSEL)而言,这个优势非常具有吸引力。由于耦合时存在大量的寄生反射(即波导内部的后向反射和光纤入射时的向上反射),完全垂直的光栅耦合器的耦合效率相对较差。为了克服这个缺点,研究人员提出了各种方法,包括使用额外刻槽、啁啾光栅、倾斜硅薄膜结构、双层光栅结构、通过遗传算法优化的L形光栅结构和聚焦型光栅结构。但是,上述大多数结构都需要额外的制造步骤(蚀刻或沉积)或特征尺寸小于100nm的制造工艺,这与193nm深紫外(DUV)光刻工艺不兼容。
针对该技术难题,我院张赞允副教授首次提出并实验证明了用于完全垂直光耦合的亚波长变迹双向光栅耦合器。图一为光栅结构示意图,该中心对称器件基于340nm顶层硅和2μm埋氧层厚度的SOI硅片,包含20个光栅周期,其中10亚波长光栅周期位于光栅两端。亚波长光栅和沟槽光栅的蚀刻深度相同,在亚波长光栅周期(ΛSWG)和填充因子(FFSWG)恒定的情况下,亚波长光栅可用于进一步增加耦合效率,减少波导的背向反射并确保最小特征尺寸超过100nm。文中设计了均匀光栅和亚波长变迹光栅两个对照组,用以观察亚波长变迹光栅设计所带来的性能改善。

图一

图二

该器件通过单步蚀刻工艺即可实现,无需添加硅覆盖层或衬底反射镜。图二是均匀光栅,变迹光栅和亚波长变迹光栅设计的耦合效率和向上反射及耦合损耗对照。仿真显示亚波长变迹光栅的峰值耦合效率为72%(-1.43dB),向上反射低至5% (-13dB)图三中上图是光栅与MMI级联器件的SEM照片,下图为亚波长变迹光栅和均匀双向光栅耦合器(UBGC)的测得的CE。测试结果显示亚波长变迹光栅CE峰值为-1.8dB66%),在±3µm的光谱移动范围损耗小于1.35dB,测得1dB光学带宽约为37nm。此外,该耦合器对MFD变化和对准误差具有很高的容差能力。如表1所示,该器件与其他报告的完全垂直耦合器相比,具有耦合效率高、光学带宽大和易于制造的优势,在VCSEL光源耦合封装方面有巨大应用潜力。

图三

该工作受到国家重点研发计划、英国工程与自然科学研究理事会、国家自然科学基金、天津市自然科学基金、国家留学基金委等项目支持。


论文第一作者/通信作者介绍:

 张赞允,工学博士,IEEE会员,美国光学学会会员,天津工业大学副教授、硕士生导师,英国南安普顿大学访问学者。2014年毕业于中国科学院大学,师从陈弘达研究员,获微电子学与固体电子学博士学位;2017年入选天津市“131人才第三层次;201811月国家公派至英国南安普顿大学光电子研究中心访问交流一年,师从Graham T Reed教授。研究领域为硅基光电子集成方向,在硅基光栅耦合器、硅基电光调制器、锗波导探测器、硅基光发送机、硅基LED集成等研究方向开展了大量工作,总计发表论文45篇,其中在OpticaNanoscaleOptics lettersOptics ExpressScientific ReportsJournal of Lightwave TechnologyIEEE Electronic Device LettersIEEE Photonic Technology Letters等国际刊物上发表论文32篇,申请国家发明专利7项,授权发明专利4项。2015年以来主持和参与了6项国家自然科学基金项目、天津市自然科学基金等。