近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的光子芯片實(shí)驗(yàn)室與深圳大學(xué)合作，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的硅基亞波長光柵耦合器，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高再現(xiàn)性、超寬帶寬、超低反射的波導(dǎo)光場耦合。成果以“Silicon subwavelength grating coupler with ultra-high reproducibility, ultra-wide bandwidth, and ultra-low back reflection”為題發(fā)表在2024年8月1日出版的《Journal of Lightwave Technology》期刊上。

短波中紅外（short-wavelength mid-infrared, SWMIR）硅光子學(xué)在光通信、測距和傳感等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。首先，隨著2 μm光通信和光譜應(yīng)用需求的增加，SWMIR波長成為探索硅光子學(xué)的新方向。與通信波段相比，SWMIR硅光子器件具有較低的瑞利散射和雙光子吸收光學(xué)損耗，因此在高功率應(yīng)用方面具有很高的應(yīng)用潛力。此外，SWMIR波段的光子能量對(duì)應(yīng)于一些氣體分子的基本振動(dòng)躍遷，如甲烷、碳氧化物等，這為片上氣體傳感提供了巨大的潛力。與通信波段類似，SWMIR硅光子器件可以使用多項(xiàng)目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）服務(wù)來制造。其中，SWG耦合器是硅光子集成回路的重要組成部分，用于光纖和波導(dǎo)之間的光耦合，具有折射率（Refractive index, RI）剪裁靈活和制造工藝簡單的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在過去十年得到了廣泛的研究。然而，傳統(tǒng)亞波長光柵耦合器在其耦合效率、耦合帶寬、背向反射以及可重復(fù)性之間存在權(quán)衡的限制，使得同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率、寬帶寬、低背反、高容差仍具有挑戰(zhàn)性。因此，開發(fā)一種兼具高性能和高容差的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，研究者們介紹了一種新的設(shè)計(jì)打破硅SWG耦合器件的這種權(quán)衡，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)高性能和高再現(xiàn)性，用于高效穩(wěn)定的光耦合。如圖1a和1b所示，所采用的方法是基于超薄頂硅層以及在亞波長結(jié)構(gòu)的低有效折射率斜率區(qū)域，即較大的亞波長占空比區(qū)域（圖1b中藍(lán)色陰影區(qū)），設(shè)計(jì)SWG光柵耦合器。在仿真設(shè)計(jì)中，通過人為引入占空比來模擬制作過程中的誤差，仿真結(jié)果表明，比起先前研究中的220 nm厚耦合器，所提出的SWG耦合器對(duì)于所引入的占空比變化，在波長偏移、相對(duì)耦合效率變化方面均展現(xiàn)出超高容差，同時(shí)也具有更寬的光學(xué)帶寬和更低的背向反射，如圖1c-f所示。

圖1所提出的SWG耦合器的原理以及仿真結(jié)果。(a)SWG耦合器俯視示意圖。(b)不同亞波長占空比下SWG結(jié)構(gòu)的RI和RI斜率。引入占空比變化δFy對(duì)220 nm小占空比和70 nm大占空比SWG耦合器在(c)波長偏移、(d)相對(duì)耦合效率變化、(e)1-dB帶寬、和(f)背向反射等方面的比較。藍(lán)色陰影區(qū)域表示70 nm厚SWG耦合器的性能變化范圍。

基于上述仿真結(jié)果，研究者們利用高分辨率的納米制造設(shè)備和多項(xiàng)目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）服務(wù)制作了光柵耦合器。利用納米制造設(shè)備加工的SWG耦合器可同時(shí)獲得-5.5 dB的耦合效率、～160 nm的1-dB帶寬、低于-21.2 dB的背向反射，同時(shí)對(duì)0.2的占空比變化表現(xiàn)出高制造再現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2a和2b所示。利用MPW服務(wù)制作的SWG耦合器測試結(jié)果如圖2c和2d所示，相比220 nm厚SWG器件，亞波長占空比變化對(duì)所提出的SWG器件耦合效率和中心波長的影響可忽略不計(jì)，并且，極小的F-P腔波紋抖動(dòng)也證實(shí)了其低背反射的優(yōu)勢。總之，本項(xiàng)研究可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高再現(xiàn)性、超寬帶寬以及超低背向反射的高效光耦合，為開發(fā)具有高性價(jià)比和高可重復(fù)性的硅SWG耦合器提出了新的思路。

圖2利用納米加工設(shè)備和MPW服務(wù)制作的SWG耦合器的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。采用納米加工設(shè)備制作的(a)三個(gè)相同的70 nm厚SWG耦合器與(b)占空比變化的70 nm厚SWG耦合器實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用MPW服務(wù)制作的占空比變化的(c) 220 nm厚SWG耦合器與(d) 70 nm厚SWG耦合器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本論文第一作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的碩士生張舒蛟、副研究員張尊月老師以及博士生郭榮翔，通訊作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授與深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的王佳琦副教授。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（62175179, 62161160335）、天津市自然科學(xué)基金（23JCJQJC00250）廣東省自然科學(xué)基金（2022B1515130002, 2023A1515011189）項(xiàng)目的支持。