光栅耦合器
关于光栅在集成光路(PIC)中的不同应用,在 集成光路中的光栅 中已经讨论过。这一篇笔记再重点聊一聊光栅耦合器(grating coupler,以下简称GC)。
无论是端面耦合器,还是光栅耦合器,其主要的性能指标有:1)耦合效率(coupling efficiency),2)带宽(bandwidth),3)偏振依赖性(polarization dependency),4)对准容差(alignment tolerance)。光栅耦合器的主要优点在于其位置比较灵活,可位于芯片中的任意位置,因而可用于晶圆级的在线测试,另外其耦合的对准容差较大,便于封装。但是其耦合效率不太高,并且带宽较小(1dB带宽约30-40nm),1维GC是偏振敏感的。其典型的结构如下图所示,
(图片来自文献1)
对于硅光芯片,光栅区域由深浅不一的硅构成,形成折射率的周期性变化,如下图所示。为了与单模光纤的模场匹配,光栅的横向宽度较宽,在十几个微米左右。而一般硅单模波导的宽度为0.4-0.5um左右,因此两者之间需要一个taper型波导相连,使得光较好地转移到硅波导中。
(图片来自文献1)
光栅耦合器的工作原理比较好理解,主要利用光栅的衍射效应,改变光场的传播方向,使得外部光纤的光耦合PIC中。从k空间来看,也就是需要满足相位匹配条件(动量守恒),由于光栅是周期性结构,它提供了倒格矢,用于补偿光纤中的波矢与波导中的波矢之间的失配,如上图(c)所示。数学表达式为,
其中beta_1表示波导中的波矢,k_i为入射光的波矢,K为光栅的倒格矢。
上式考虑的是一阶倒格矢,给出了对光栅周期的要求。实际情况中,其他阶的倒格矢也会存在作用,使得光场散射进SiO2衬底中,降低了耦合效率。另外在上式中,n_eff是针对某一波长和特定偏振的,因而一维光栅耦合器是偏振敏感的,并且工作带宽较窄。另外一点,光纤通常是以一定倾角放置。如果光纤垂直放置,则存在多个满足相位匹配的解,导致耦合效率降低。
上式虽然给出了光栅周期与光场波长间的关系,但是并没有刻画耦合器耦合效率的具体大小。做更进一步的分析,可以将耦合效率的计算分为两部分,即
其中,第一项表示光场散射的方向性(directionality),即进入到波导中的光功率占输入总功率的比例,
第二项表示光纤中的模场与光栅模场的重叠积分,即
对于均匀光栅,其耦合效率在-3dB左右。导致其耦合效率不够高的主要原因有两方面,一方面部分光场散射进SiO2衬底中,另一方面光栅模场为e指数形式,与光纤的高斯光重叠积分值不够高。
为了提高耦合效率,其着眼点也相应地分为两个努力方向,一方面在PIC芯片底部做文章,镀上金属,或者刻蚀DBR光栅,使得散射进SiO2的光场又反射回去,进而提高耦合效率,如下图所示。该方案需特殊的工艺,不适用于大批量生产使用。
(图片来自文献2)
另一方面,在光栅的周期、占空比、刻蚀高度上做文章,形成切趾型(apodized)光栅,提高重叠积分值, 如下图所示。该方案没有特殊的工艺要求,需要注意的是,所设计的光栅精度要求是否可以工艺可制备。
(图片来自文献2)
下图是均匀光栅与切趾光栅的模场与高斯光的重叠积分比较,可以非常直观地看出切趾型光栅的模场与高斯光模场匹配度较高,重叠积分值较高,
(图片来自文献1)
关于光栅耦合器的设计与实验进展,相关的文献比较多,这里就不一一列举了。但是其整体思路不外乎上面的两点,增强重叠积分值,提高散射光场的方向性。另外选用340nm厚的SOI, 其耦合效率也会得到提高。目前使用切趾型光栅方案,GC的耦合效率已经达到-1dB以上。
为了解决偏振相关的问题,人们提出了2维光栅耦合器结构,如下图所示,
(图片来自文献3)
TE与TM偏振的光经过2维光栅耦合器, 都转换为TE偏振的光。其原理比较简单,单独从x方向或者y方向看,2维光栅是对应方向的1维光栅,因而可以耦合对应偏振的光场。
以上是对光栅耦合器的简单整理。对于芯片底部刻蚀结构的方案,需要特殊的加工工艺,不具备通用性,增加了光栅加工的复杂度。对切趾型光栅结构的设计,是一条可行的方案。但在具体设计时,需要耗费较多的计算资源与时间,用于对每一个光栅的尺寸进行优化。另外,光栅耦合器并不仅限于硅光芯片体系,其他材料体系的PIC都可以使用,其原理是相一致的。
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参考文献:
- W. S. Zaoui, "Efficient Coupling between Optical Fibers and Photonic Integrated Circuits ", PhD thesis
- X. Zhe, "Design and Optimisation of Passive Silicon Photonic Device for Wideband Communication System", PhD thesis
- B. Wohlfeil, "Integrated Fiber Grating Couplers in Silicon Photonics", PhD thesis
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