文章內(nèi)容參考論文：“O-band low loss and polarization insensitivity bilayer and double-tip edge coupler”

文章使用設(shè)備：光纖波導(dǎo)耦合系統(tǒng)

硅基光子集成電路（PIC）作為光通信、計算和傳感等領(lǐng)域的核心技術(shù)，正推動著高速光互連與集成光子學(xué)的飛速發(fā)展。然而，硅光子芯片與光纖的高效耦合始終是制約其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。傳統(tǒng)端面耦合器在O波段（1260-1360 nm）因硅波導(dǎo)的強雙折射特性，面臨顯著的偏振相關(guān)損耗（PDL），導(dǎo)致TE和TM模式的耦合效率差異較大。如何在保持制造工藝兼容性的同時實現(xiàn)低損耗、寬帶寬且偏振不敏感的耦合，成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界共同關(guān)注的難題。

近日，有教授團隊提出了一種雙層雙尖端端面耦合器，通過創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計，成功在O波段實現(xiàn)TE/TM雙模高效耦合。實驗結(jié)果表明，TE模式耦合損耗低至1.18 dB/facet，TM模式耦合損耗僅為1.46 dB/facet（1310 nm波長），且在整個O波段內(nèi)性能穩(wěn)定，兼容商用硅光工藝。該成果為解決O波段端面耦合器的偏振敏感問題提供了有效方案。研究以“O-Band Low Loss and Polarization Insensitivity Bilayer and Double-tip Edge Coupler”為題。

端面耦合器是實現(xiàn)芯片與光纖連接的核心器件，其性能直接取決于波導(dǎo)模場與光纖模場的匹配程度。本文提出的雙層雙尖端端面耦合器（圖1）通過協(xié)同優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與雙尖端設(shè)計，顯著降低了模式場失配與偏振依賴性。本文提出了一種基于雙層與雙尖端邊緣耦合器的創(chuàng)新方案，旨在實現(xiàn)O波段光纖與芯片間的高效耦合，同時最大限度降低偏振態(tài)損耗（PDL）。通過采用多重刻蝕工藝，我們有效降低了波導(dǎo)的縱向模式約束，實現(xiàn)了橫向電場模（TE）和橫向磁場模（TM）的高耦合效率。實驗驗證表明，該邊緣耦合器在整個O波段范圍內(nèi)性能優(yōu)異，當(dāng)與具有模式場直徑（MFD）4μm的透鏡光纖耦合時，兩種偏振方向的耦合損耗均低于2 dB/端面。

圖1：雙層雙尖端端面耦合器示意圖

圖 1：

（a）雙層和雙頭邊緣耦合器的示意圖。

（b）邊緣耦合器的橫截面圖像。

（c）高度過渡過程的橫截面圖像。

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)220 nm高度的波導(dǎo)對TM模式的強限制導(dǎo)致其有效模場面積遠小于TE模式（圖2a）。為此，團隊采用另一種常用的150 nm波導(dǎo)高度（圖2b），通過降低縱向模式束縛，使TM模場面積大幅提升。其中E?和E?分別表示光纖模式與芯片波導(dǎo)模式的復(fù)電場振幅。為提升耦合效率，需設(shè)計與輸入光纖模式高度匹配的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如圖2(a)和2(b)所示，我們通過仿真分析計算了兩種不同高度波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在1310納米波長下的TE和TM模式場分布。從圖2(a)可見，TE模式的有效模面積明顯大于TM模式。這源于1310納米波長下波導(dǎo)的強雙折射特性——220納米高的波導(dǎo)對TM模式具有更強的約束作用，導(dǎo)致其模尺寸更小。因此我們將波導(dǎo)高度調(diào)整為150納米以降低TM模式的約束效應(yīng)。如圖2(b]仿真結(jié)果所示，在此配置下TE和TM模式的有效模面積基本保持一致。

綜上，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)220 nm高度的波導(dǎo)對TM模式的強限制導(dǎo)致其有效模場面積遠小于TE模式（圖2a）。為此，團隊采用另一種常用的150 nm波導(dǎo)高度（圖2b），通過降低縱向模式束縛，使TM模場面積大幅提升。

圖2：雙頭波導(dǎo)以及TE和TM模式場分布的橫截面圖像

圖2：雙頭波導(dǎo)以及TE和TM模式場分布的橫截面圖像。

（a） 220 nm 高。

（b） 150 nm 高。

為定量分析兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的差異并實現(xiàn)更高耦合效率，我們針對尖端波導(dǎo)寬度和間距進行了優(yōu)化設(shè)計，并計算了其與4μm MFD透鏡光纖模式的重疊度。首先，我們對尖端波導(dǎo)寬度進行了優(yōu)化模擬（如圖3(a)所示）。圖中實線和虛線分別代表高度為150納米和220納米的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，紅色和藍色線條分別對應(yīng)TE和TM模式。從仿真結(jié)果可見，紅色實線的整體重疊度比紅色虛線高出20%以上，充分證明了我們設(shè)計方法的有效性。當(dāng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)高度為220納米時，TE和TM模式的重疊度存在顯著差距，難以同時實現(xiàn)高效耦合與光子帶隙（PDL）的雙重目標(biāo)。然而，當(dāng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)高度為150納米時，在100至150納米的尖端寬度范圍內(nèi)，兩種模式的重疊度均接近80%以上。

圖3：220 nm和150 nm 高度下不同偏振耦合效率分析

圖3：計算的模式重疊度隨(a)Wtip和(b)g的變化關(guān)系

團隊設(shè)計的器件是在SOI晶圓上制造的，其頂部硅層厚度為220納米，埋入式二氧化硅層厚度為2μm。該器件設(shè)計分為兩層結(jié)構(gòu)，通過多道蝕刻工藝完成。首先使用電子束光刻（EBL）技術(shù)，在晶圓表面旋涂ZEP520電子束抗蝕劑。隨后利用EBL將圖案轉(zhuǎn)印至抗蝕劑層。接著通過電子束蒸發(fā)沉積10/50納米厚的鉻/金金屬層，并進行剝離處理去除多余金屬，最終形成圖案化結(jié)構(gòu)。在第二步EBL工藝中，將第一層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印至電子束抗蝕劑層。為將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印至硅層，采用電感耦合等離子體（ICP）蝕刻工藝對頂部硅層進行220納米深度蝕刻。在另一輪EBL和ICP工藝中，將第二層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印至硅層并蝕刻70納米。最后通過等離子體增強化學(xué)氣相沉積法在頂部沉積2μm厚的二氧化硅包覆層。圖6(a)展示了器件的光學(xué)顯微鏡圖像，插圖為邊緣耦合器的放大視圖。圖6(b)-6(d)為圖6(a]插圖中標(biāo)記區(qū)域的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

團隊采用電子束曝光（EBL）與感應(yīng)耦合等離子體（ICP）刻蝕等技術(shù)，通過兩次EBL步驟分別定義雙層結(jié)構(gòu)。第一層刻蝕深度為220 nm，第二層刻蝕70 nm，最終形成150 nm高度的雙尖端波導(dǎo)（圖4b-d）。通過精確控制刻蝕參數(shù)，團隊實現(xiàn)了納米級精度的波導(dǎo)形貌，并利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積（PECVD）技術(shù)沉積2 μm厚的SiO?包層，確保器件長期穩(wěn)定性。

圖4：端面耦合器顯微圖

圖4：

(a)單芯片切割后的光學(xué)顯微鏡圖像。

(b)-(d)制備的邊緣耦合器的掃描電鏡圖像。

為表征所制備的邊緣耦合器性能，我們采用波長范圍在1260至1360納米之間的可調(diào)諧激光器作為輸入光源。通過光功率計測量芯片輸出端的耦合功率，并使用偏振控制器將輸入光的偏振態(tài)控制在TE和TM模式之間。耦合裝置 該裝置由兩個精密六軸對準臺、2個觀察系統(tǒng)（垂直＋水平）和一個芯片支架組成，如圖7插圖所示。我們在光纖支架兩側(cè)各固定一根4-MM MFD透鏡光纖，并通過調(diào)整六軸對準臺使功率計測得的光功率最大化。通過調(diào)節(jié)輸入光波長和偏振控制器，我們對器件在整個0波段范圍內(nèi)的TE和TM耦合損耗進行了表征。圖8展示了器件的測試與仿真性能對比，其中實線和虛線分別代表實驗與仿真結(jié)果，紅色和藍色曲線分別對應(yīng)TE和TM模式數(shù)據(jù)。觀察發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果雖略遜于仿真結(jié)果，但兩者呈現(xiàn)一致趨勢，充分展現(xiàn)了器件在偏振相關(guān)損耗方面的卓越性能。在1310 nm波長下，TE和TM模式耦合損耗分別測量為1.18 dB/端面和1.46 dB/端面。光譜中出現(xiàn)的噪聲源于測試過程中耦合裝置的振蕩以及光纖與芯片間的反射。在整個0波段范圍內(nèi)，TE和TM模式耦合損耗分別<1.52 dB/端面和2 dB/端面。

圖5：波導(dǎo)耦合系統(tǒng)

該端面耦合器在O波段的高效表現(xiàn)，使其成為高速數(shù)據(jù)通信（如5G和下一代數(shù)據(jù)中心）中光纖-芯片接口的理想解決方案。其低偏振敏感特性尤其適用于偏振復(fù)用系統(tǒng)，可顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度與成本。隨著O波段在短距通信和傳感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，此類高性能耦合器有望成為下一代光子集成芯片的核心組件，推動光電子產(chǎn)業(yè)持續(xù)革新。