【Lumerical系列】无源器件-端面耦合器1丨综述
本期是Lumerical系列中无源器件专题-端面耦合器第一期。首先对端面耦合器进行背景介绍，阐述了其工作机理，并总结了其性能指标。此外，还对端面耦合器在水平和垂直方向上的结构变化进行了分类和简述。基于绝缘体上硅（SOI）结构的集成光学芯片是目前光通信领域的研究重点，得益于其与互补金属氧化物半导体（CMOS）制作工艺兼容。然而，芯片与外界信息交互时需要光纤传输，其次，硅基光子芯片的光源集成难度较大，因此需要光纤耦合来提供光源。但是SOI条形波导与光纤直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于两者的模场面积相差较大，标准的单模光纤的模场面积大约在70μm2，而波导的模场有效面积通常小于1μm2，在耦合过程中会产生极大的模场失配，进而产生较大的插入损耗。因此，有效的光纤芯片耦合是提高整个系统性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。光纤到芯片的耦合主要分为两种方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光栅耦合器，光纤垂直或略微倾斜一定角度放置在器件上方，以保证较高耦合效率。但是光栅耦合器的耦合效率通常低于3dB，并且带宽较窄，波长灵敏度较高。而端面耦合器通常放置在晶圆端面，能实现较高的耦合效率、较大的带宽以及偏振无关性。
图1光纤与光子芯片互连原理图。
端面耦合器最常用的结构是倒锥形，即在沿光的传播方向，采用宽度逐渐增大的锥形波导，其中锥形的窄端靠近光纤，而宽端则与光波导相连。倒锥窄端的横截面积小于期望的模态尺寸，无法完全限制入射模，相当大比例的电磁场分布在锥尖周围。当锥形宽度变大时，它可以支持整个模式，并将电磁场整体限制在锥形内部。总的来说，基于其窄尖端对准光纤芯的倒锥形的端面耦合器可以将从光纤入射的大模场的模式转换为光子波导中压缩的导模。在评估端面耦合器的性能时，有一些通用的度量参数，包括耦合效率（或耦合损耗）、器件尺寸、工作带宽、制造容差和未对准容差。
耦合效率：是指端面耦合器内部光传输和模式转换之后的输出功率与输入功率的比率。实现高耦合效率是设计光耦合器的主要目标。端面耦合器的耦合效率可以简化为多个因素的乘积，起主要作用的是重叠积分部分，可表示为下式：
其中，E1和E2分别为光纤模式电场的复振幅和硅波导端面模式电场的复振幅，A表示模场面积。器件尺寸：考虑到集成密度、制造可行性和封装难度，器件尺寸是定义端面耦合器优点的另一个重要参数。由于端面耦合器通常由纵向形状的锥形组成，因此实现紧凑的端面耦合器的主要思想是减小器件长度。工作带宽：端面耦合器具有大工作带宽的固有优势，因为它基于光的传播特性而不是光栅耦合器中光的衍射效应工作。大工作带宽意味着端面耦合器可以在宽的波长范围内高效稳定地工作，对波长波动不敏感。 容差：由于结构对称性和简单性，基于单个锥形的端面耦合器易于制造且简单，并且具有良好的制造偏差容限和未对准容限。线性锥形耦合器的主要优点是其结构简单和易于制造，而这种结构简单也导致尺寸极大和耦合效率有限，特别是对于与具有大光斑尺寸光纤的光耦合。在此背景下，非线形倒锥形结构得到广泛研究，常见变换包括多截面锥形、抛物线锥形或二次锥形以及指数锥形，分别如图2（b）-（d）所示。
图2倒锥形类型。
（a）线性型；（b）多截面型；
多尖端锥形被广泛用于提高模式重叠效率，其结构如图3（a）所示。该结构由多个尖端组成的锥面，可形成叠加模式，从而增大模场直径，能更好与光纤模式进行匹配。此外，使用多个尖端可以提高设计自由度，使得小尺寸就能实现较大耦合效率。而多锥形端面耦合器效果与多尖端锥形类似，其结构如图3（b）所示。
图3（a）多尖端锥形端面耦合器；
基于亚波长光栅的端面耦合器结构如图4所示。亚波长光栅的有效折射率由尖端宽度、间距以及占空比综合决定，因此，可以通过对该结构进行合理设计，使其有效折射率最大程度上与光纤模式匹配，进而提高耦合效率。
图4基于亚波长光栅的端面耦合器
图5是在倒锥形上方放置多个波导以获得较大模态面积的方法。上方波导通常由折射率低于硅的材料制成，如氮化硅和氮氧化硅。下方的倒锥形波导与上方辅助波导支持叠加模式，使得模式区域变大并于光纤纤芯的模式区域相当，有助于更高效与光纤发出的光进行耦合。可以通过改变辅助波导的数量、材料折射率和方向来控制最终的模场分布。基于多锥形的端面耦合器不同层的多个单向锥形组成，其截面由不同层的锥形合并，具有较大的横截面积，能更好实现端面耦合。其中最顶层的锥形长度最短，最底层最长，这样设计是使上层的光依次传到最底层。基于其最底层与硅波导连接的类型可分为两种类型，第一种是每层锥形波导同向级联，如图6（a）所示；第二种是最底层为倒锥形结构，以实现模式转换，如图6（b）所示。图6两种多锥形级联。
基于折射率匹配包层的端面耦合器的结构如图7所示，与SiO2包层下的Si层不同，它通常使用SiN，SiON和聚合物等其他类型的材料来设计光纤纤芯和硅波导的折射率，当匹配包层的折射率接近光纤纤芯的折射率时可以减少失配。典型的锥形仅在纵向和横向尺寸上具有锥形轮廓，而锥形的厚度保持恒定。然而，可以通过三维锥形来传输来自光纤的光，如图8所示。三维锥形以其宽端对准光纤，其在结构尺寸方面与光纤芯相当。然后，它开始在垂直和水平维度上逐渐变细，以与硅波导连接。通常，三维锥体可以分为两种主要类型：一种是纯硅基3D锥体，另一种是其他类型中间材料辅助的3D锥体。图9中展示了基于悬臂梁结构的端面耦合器示意图。在倒锥形硅结构的基础上，将BOX层及其下的衬底部分切至一定厚度，露出一个包覆SiO2的锥形悬臂梁硅结构，将光纤放置在蚀刻槽中，并与悬臂梁结构的切割面对齐。总的来说，这种基于悬臂梁结构的端面耦合器以较长尺寸为代价实现了良好的耦合性能。硅光子集成电路中的光互连是实现高效数据传输的关键问题。光纤到芯片光互连的两种主流范式，即垂直耦合和端面耦合，具有不同的特点，而端面耦合拥有更高的耦合效率、更宽的工作带宽、对偏振状态的依赖性更低等。本文首先介绍了端面耦合器的研究背景和应用，阐述了其工作机理，并总结了其性能指标。此外，还对端面耦合器在水平和垂直方向上的结构变化进行了分类和简单描述。下一期文章我们将针对具体的端面耦合器案例进行分析。参考文献：
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