近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授和劉鐵根教授課題組，以及深圳大學(xué)的王佳琦助理教授、香港中文大學(xué)的曾漢奇教授合作研究開(kāi)發(fā)了一種短波中紅外高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器，成果以“Relaxed-tolerance subwavelength grating coupler”為題，2023年1月29日發(fā)表在《Optics & Laser Technology》期刊上。

短波中紅外光子學(xué)在光通信、光測(cè)距和光傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。首先，隨著數(shù)字化產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量持續(xù)增長(zhǎng)，光通信帶寬正逐漸逼近1.55微米波段光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦碚摌O限，2微米波段光通信是一個(gè)熱門(mén)的研究方向；其次，2-2.5微米波段幾乎不與水汽分子在1.7-2.0微米和2.4-3.3微米波長(zhǎng)的吸收光譜區(qū)重疊，為自由空間光通信和激光雷達(dá)應(yīng)用提供了低損耗的大氣窗口；并且，2-2.5微米波長(zhǎng)的光子能量對(duì)應(yīng)于氣體分子的本征振動(dòng)能級(jí)躍遷，為開(kāi)發(fā)用于環(huán)境檢測(cè)、工業(yè)安全的光學(xué)氣體傳感器帶來(lái)了巨大的機(jī)遇。

另一方面，由于硅和二氧化硅材料對(duì)短波中紅外光的吸收較弱，用于開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)光通信硅基光子器件的多項(xiàng)目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）工藝，可以方便的轉(zhuǎn)移到短波中紅外波段，用于低成本的開(kāi)發(fā)高質(zhì)量、高密度的硅基光子集成回路。其中，光柵耦合器是光子集成回路中的關(guān)鍵器件之一。過(guò)去的研究表明，在短波中紅外波段，可以基于MPW工藝開(kāi)發(fā)亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，提高能量耦合效率。然而，亞波長(zhǎng)光柵耦合器對(duì)器件的制造誤差比較敏感。因此，開(kāi)發(fā)與MPW工藝兼容的、高容差的、亞波長(zhǎng)光柵耦合器件是一個(gè)有意義的研究課題。

在本項(xiàng)工作中，研究者們研發(fā)了一種高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器(Relaxed-Tolerance Subwavelength Grating Coupler, RTSWG)，分析了亞波長(zhǎng)光柵耦合器的加工制作可重復(fù)性。如圖1a所示，所研發(fā)的耦合器件設(shè)計(jì)在220 nm頂層硅的硅-絕緣體晶圓上，由周期性排列的孔狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

在X方向上，每個(gè)光柵周期內(nèi)具有兩個(gè)亞波長(zhǎng)孔結(jié)構(gòu)，用以克服傳統(tǒng)亞波長(zhǎng)光柵耦合器對(duì)制造誤差引起的折射率變化的敏感性問(wèn)題。同時(shí)，雙孔亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)也可以更加靈活的裁剪光柵耦合器的有效折射，優(yōu)化光柵耦合器的耦合效率。圖1b和1c比較了所設(shè)計(jì)的高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器和普通亞波長(zhǎng)光柵耦合器性能對(duì)加工制作誤差的容忍度。理論結(jié)果顯示，高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器件在中心波長(zhǎng)飄移和相對(duì)耦合效率等方面均具有一定的提升。

圖1.短波中紅外高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器示意圖與仿真結(jié)果。(a)高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器的示意圖；(b)中心波長(zhǎng)偏移隨y方向上孔大小變化的曲線。(c)相對(duì)耦合效率隨y方向上孔大小變化的曲線。

高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器和普通亞波長(zhǎng)光柵耦合器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如圖2所示。圖2a為高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器的實(shí)驗(yàn)測(cè)量與三維時(shí)域有限差分（Three Dimensional Finite-Difference Time-Domain method, 3D FDTD）的數(shù)值仿真結(jié)果。結(jié)果可知，高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器在中心波長(zhǎng)2038 nm處具有-6.2 dB的耦合效率以及約30 nm的1 dB耦合帶寬。

圖2b顯示了普通亞波長(zhǎng)光柵耦合器在中心波長(zhǎng)2038 nm處具有-8.7 dB的耦合效率以及約40 nm的1 dB耦合帶寬。與普通亞波長(zhǎng)光柵耦合器相比，高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器的性能具有一定的提升，并具有更好的加工可重復(fù)性。

圖2.高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器和普通亞波長(zhǎng)光柵耦合器在短波中紅外的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和3D FDTD數(shù)值仿真結(jié)果。(a)高容差亞波長(zhǎng)光柵耦合器。(b)普通亞波長(zhǎng)光柵耦合器。

審核編輯：劉清