傾斜耦合的光柵耦合器研究進(jìn)展

張一凡，莊永勇，楊 柳，杜波波，劉 鑫，胡慶元，夏鈺坤，張 磊，魏曉勇，徐 卓

(1．西安交通大學(xué) 電子陶瓷與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，多功能材料與結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)際電介質(zhì)研究中心，電子科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2．江西勻晶光電技術(shù)有限公司，江西 九江332000)

0 引言

信息化產(chǎn)業(yè)的普及使得時(shí)刻都有大量信息的交互，對(duì)信道容量的需求也隨之增高。電互聯(lián)技術(shù)受載體的局限，其發(fā)展正面臨著數(shù)據(jù)傳輸速率迅速膨脹的挑戰(zhàn)，在帶寬拓展、實(shí)時(shí)傳輸及減小損耗等方面亟待高水平突破[1-3]。因此，研究人員通過(guò)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝加工硅光子器件，在發(fā)送端將電信號(hào)調(diào)制到激光束上，并通過(guò)光纖傳輸?shù)浇邮斩耍?jīng)檢測(cè)器將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，實(shí)現(xiàn)光纖通信[4-7]，目前光纖通信已發(fā)展至長(zhǎng)波長(zhǎng)單模光纖通信。與電子相比，光子具有更高的傳輸速率，在減小波導(dǎo)損耗和獲得大信道的同時(shí)，又能保證傳輸信號(hào)輕易不發(fā)生畸變[8-9]。因此，基于硅光子集成的光通信、光互連及光傳感等技術(shù)得到飛速發(fā)展。

硅光子器件基于硅和硅基襯底材料(如SiGe/Si、絕緣體上硅(SOI)等)，利用CMOS技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和集成[10]。其中，SOI因高折射率、與CMOS技術(shù)兼容性高和傳輸損耗低而成為焦點(diǎn)。鈮酸鋰晶體(LN)因?yàn)槌錾碾姽庑?yīng)而獲得學(xué)者的廣泛關(guān)注，基于絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)的器件也不斷涌出[11-13]。器件的高集成化使得高效光傳輸成為現(xiàn)階段首要問(wèn)題，目前市面上大多數(shù)硅波導(dǎo)截面積可降至0.1 μm2，是單模光纖的幾十分之一。光纖內(nèi)的光若不經(jīng)特定耦合器直接耦合進(jìn)波導(dǎo)，將存在巨大的模式失配，導(dǎo)致耦合效率較低[14]，因此急需尋求一種新型的耦合技術(shù)或器件。

解決方案中，目前水平耦合方案與光柵耦合方案[14-15]應(yīng)用最廣。水平耦合采用錐形透鏡光纖，減小光纖模場(chǎng)的同時(shí)，又通過(guò)模板轉(zhuǎn)換器增大波導(dǎo)的模場(chǎng)，從而達(dá)到高效耦合。水平耦合可分為聚合物倒錐形、平板型倒錐形和標(biāo)準(zhǔn)單模光纖耦合[16-20]。水平耦合方案具有帶寬大，偏振相關(guān)性小及耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)。Li等[17]制作的水平楔形模斑轉(zhuǎn)換器在測(cè)試中損耗僅為0.44 dB。水平耦合方案制作難度大，位置受限且對(duì)準(zhǔn)容差小。為改進(jìn)上述弊端，科研人員們?cè)诶^承高效率耦合的基礎(chǔ)上，研究發(fā)展了光柵耦合。

1949年，Harrison教授[21]提出，衍射光柵對(duì)近代物理學(xué)的發(fā)展很重要。光柵是基本的無(wú)源器件之一，在薄膜層中刻蝕各種不同周期、占空比和刻蝕深度的凹槽，將所接收的光耦合進(jìn)波導(dǎo)或光纖中，在集成光路、光通信及光傳感等方向起著重要作用，是通信領(lǐng)域中的重要角色。

光柵作為橋梁具備以下優(yōu)勢(shì)[22-23]：

1) 制作簡(jiǎn)單，工藝損耗小。與CMOS技術(shù)高度互補(bǔ)，不需要高精度的解理和拋光，避免了因制片復(fù)雜而磨損表面。

2) 位置靈活。光柵位于芯片表面，耦合時(shí)可隨時(shí)調(diào)整位置。

3) 片上測(cè)試。減小了封裝成本，在晶圓上對(duì)光柵進(jìn)行檢測(cè)，極大地提高了系統(tǒng)的集成性。

4) 對(duì)準(zhǔn)容差大。光柵耦合器可直接與單模光纖進(jìn)行耦合，模斑面積大于水平耦合方案，損耗小，2 μm2的對(duì)準(zhǔn)容差僅帶來(lái)1 dB的額外損耗。

5) 可實(shí)現(xiàn)多通道耦合。沿著光柵表面進(jìn)行排列，可實(shí)現(xiàn)多通道耦合。

本文首先介紹了光柵耦合器原理，重點(diǎn)介紹基于SOI平臺(tái)均勻光柵、傾斜光柵、閃耀光柵和切趾光柵的研究進(jìn)展、制備方法和耦合效率，介紹了基于LNOI平臺(tái)的部分光柵耦合器，為后續(xù)工作提供參考。

1 光柵耦合器的工作原理和分析方法

1.1 光柵耦合器的工作原理

圖1為基于SOI的光柵耦合器[14]。頂硅層(又稱器件層)為單晶硅薄膜，光柵刻蝕在薄膜上。常見的頂硅層厚度為220 nm、260 nm或340 nm。中間為隱埋氧化層(BOX)，主要材料為SiO2，用來(lái)隔離頂硅層與襯底硅，并防止上層透射下來(lái)的光全部逸出耦合器，造成耦合效率降低。最下層為襯底硅層，為整個(gè)系統(tǒng)提供機(jī)械支撐。

圖1 基于SOI的光柵耦合器

光柵耦合器利用光的衍射實(shí)現(xiàn)光功率在光纖與波導(dǎo)間的傳輸，其原理可通過(guò)布喇格衍射解釋。圖2為布喇格衍射條件波矢示意圖[14, 22, 24]，揭示了入射光波矢Kin與衍射光波矢間的關(guān)系。圖2僅可預(yù)測(cè)光柵允許的衍射級(jí)數(shù)，無(wú)法計(jì)算不同衍射級(jí)間的能量分布和衍射效率[10, 21]。此外，布喇格條件只能簡(jiǎn)單說(shuō)明光柵周期Λ、波長(zhǎng)和傾角θ之間的關(guān)系，未涉及光柵的刻蝕深度及占空比(FF)等因素。為了精確求解上述關(guān)系，需要借助數(shù)值仿真法(如時(shí)域有限差分法(FDTD)及有限元法(FEM)等)。

圖2 布喇格衍射條件波矢示意圖

設(shè)入射光所在空間折射率為n1，透射空間折射率為n2，z軸正方向?yàn)楣鈻欧较颍琄為光柵矢量，且：

K=2π/T

(1)

式中T為光柵周期。

Kin在z方向上的分量Kin,z為

(2)

式中：λ為真空中的光波長(zhǎng)；θ為Kin偏離光柵法線的角度。此時(shí)布喇格條件可表示為

KM,z=Kin,z+MK

(M=0,±1,±2,±3,…)

(3)

式中：M為衍射級(jí)數(shù)；KM，z為Kin在z方向上的投影與M倍光柵矢量之和。

隨著M增大，入射能量以不同效率進(jìn)入各個(gè)衍射級(jí)。為實(shí)現(xiàn)高效耦合，需要減少衍射級(jí)數(shù)，以提高耦合效率，減小光在自由空間的衍射。

由互易性原理[25-26]可知，從光纖耦合進(jìn)波導(dǎo)和波導(dǎo)耦合進(jìn)光纖的效率與損耗基本一致，僅方向相反。因此，本文僅討論光從波導(dǎo)耦合進(jìn)光纖。當(dāng)Kin=K時(shí)，光柵僅發(fā)生-1、-2級(jí)衍射，由式(3)可得：

K-1,z=0 (-1級(jí)衍射)

(4)

K-2,z=-Kin(-2級(jí)衍射)

(5)

采用垂直耦合，光纖垂直放置在光柵上方，在這兩級(jí)衍射中，僅有-1級(jí)衍射光可垂直進(jìn)入光纖內(nèi)，-2級(jí)衍射光反射回波導(dǎo)中，對(duì)器件造成損傷，影響器件的性能。耦合時(shí)應(yīng)盡可能避免和減弱-2級(jí)衍射光，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的保護(hù)。

為克服這一問(wèn)題，學(xué)者提出了傾斜耦合[14, 27]，即使纖芯偏離光柵法線一定的角度，在減小二次反射的同時(shí)，又能保證與垂直耦合相當(dāng)?shù)鸟詈闲省A斜耦合可分為正傾斜耦合和負(fù)傾斜耦合兩種，如圖3所示[22]。

圖3 布喇格衍射條件

正傾斜耦合中-1級(jí)衍射波矢與入射波矢方向一致。在光柵耦合器發(fā)生衍射時(shí)，由于Kin>K，此時(shí)產(chǎn)生的-1級(jí)衍射波矢偏向Kin，不再垂直光柵，-2級(jí)衍射波矢在z反方向上的投影不等于K，產(chǎn)生一定的偏移，光束向下方衍射，減少了二階反射對(duì)器件的損耗。傾斜耦合中-1級(jí)衍射波矢與入射波矢方向相反。此時(shí)，K>Kin，-1級(jí)衍射偏向Kin的反方向，-2級(jí)衍射波矢在z反方向上的投影大于光在n1、n2中的波矢，不發(fā)生-2級(jí)衍射，即負(fù)傾斜耦合僅會(huì)發(fā)生-1級(jí)衍射，無(wú)-2級(jí)衍射。

對(duì)正傾斜耦合仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖存在向下的-2級(jí)衍射，但能量小，影響甚微，且兩者的-1級(jí)衍射蘊(yùn)含的能量相當(dāng)，即在耦合效率方面，正向與負(fù)向傾斜耦合幾乎一致。因此，是否易于封裝和擁有較小的尺寸起決定作用，光柵是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，從光纖耦合進(jìn)波導(dǎo)(波導(dǎo)耦合進(jìn)光柵)是一個(gè)基本單元，采用負(fù)傾斜耦合時(shí)，垂直方向上的光纖成正“八”結(jié)構(gòu)，增大耦合器的尺寸，不易封裝與測(cè)試。而正向傾斜耦合，光纖頂端呈倒“八”結(jié)構(gòu)，可使光纖頂端無(wú)限接近，極大地縮減了光柵波導(dǎo)的尺寸，易于制造。另一方面，對(duì)于相同的Kin，正傾斜耦合的K小于負(fù)傾斜耦合的K，即正向傾斜耦合時(shí)光柵周期大于負(fù)向傾斜耦合，在后續(xù)加工時(shí)，較大的光柵周期降低加工難度。綜上所述，在設(shè)計(jì)耦合系統(tǒng)時(shí)，正傾斜耦合更適合集成和封裝，在后續(xù)介紹中主要介紹正向傾斜耦合的光柵。

1.2 光柵耦合器的主要性能指標(biāo)

圖4為對(duì)于光柵耦合器內(nèi)光功率的傳輸過(guò)程。在光纖輸入波導(dǎo)部分總功率：

Pw=ηCEPin=Pin-Psub-Pr-

Pw2+Psub-r

(6)

式中：ηCE為光柵耦合器的耦合效率;Pin為纖芯輸出的總功率；Pr為光柵的向上反射功率；Psub為透射功率，帶有金屬反射鏡的光柵可減小透射功率，將部分Psub反射回波導(dǎo)內(nèi)，增大耦合效率；Pw2為光柵的反向反射功率;Psub-r為基底反射上來(lái)的效率。由波導(dǎo)傳輸出的總功率Pw為入射總功率減去輸入部分所有透射和反射出去的光功率。

對(duì)于波導(dǎo)輸出至光纖部分：

Pout=ηCEPup=η(Pw-Pt-Pr-Psub+Psub-r)

(7)

式中:η為光場(chǎng)匹配因子;Pout為耦合到光纖的功率，是重要檢測(cè)指標(biāo)。由于光柵的互易性，光纖耦合到波導(dǎo)(波導(dǎo)耦合進(jìn)光纖)情況類似，故不再詳細(xì)展開。

圖4 光柵耦合器截面圖

采用光柵耦合時(shí)，以下指標(biāo)值得重視：

1) 耦合效率(CE)是指?jìng)鬟f進(jìn)波導(dǎo)中的光功率與光纖傳輸出的光功率之比。耦合效率是最重要的性能指標(biāo)，高耦合效率可縮減耦合成本和減小耦合器的尺寸，其表達(dá)式為

CE=(1-R)ηD

(8)

式中：R為反射率；D為耦合器的方向性。

2) 反射率R是指光從波導(dǎo)傳輸至光柵時(shí)，反射回波導(dǎo)的光功率與入射光功率之比，其表達(dá)式為

(9)

3) 匹配因子η是指單模光纖與光柵光場(chǎng)重疊部分的積分，體現(xiàn)兩者的匹配程度。在R、D等不變的情況下，η越大，耦合效率也隨之增大，其表達(dá)式為

(10)

4) 方向性D是耦合進(jìn)光纖的功率與耦合出光柵的光功率之比，即：

(11)

5) 偏振相關(guān)損耗(PDL)指對(duì)波導(dǎo)內(nèi)橫電模(TE)和橫磁模(TM)偏振光的耦合效率變化的最大值。

6) 耦合帶寬是指其耦合譜線的1 dB帶寬和3 dB帶寬。

2 基于SOI平臺(tái)光柵耦合器的研究進(jìn)展

2.1 均勻光柵

傳統(tǒng)的均勻光柵耦合器，將其刻蝕在頂硅層為220 nm、隱埋氧化層為2 mm的SOI平臺(tái)上。當(dāng)周期Λ=634 nm，不外加底部金屬反射鏡。圖5(a)為特定的波長(zhǎng)下耦合效率與刻蝕深度e的關(guān)系。圖5(b)為特定波長(zhǎng)下耦合效率與占空比關(guān)系。通過(guò)控制刻蝕深度與占空比，此時(shí)最高耦合效率仍未超過(guò)60%[28]，這限制了光柵的發(fā)展。為了進(jìn)一步提高耦合效率，HUA等[29]設(shè)計(jì)了一種刻蝕深度漸變的高效均勻光柵耦合器，圖5(c)為刻蝕深度漸變的均勻光柵耦合器。圖5(d)為耦合效率與波長(zhǎng)的關(guān)系。該光柵耦合器的占空比為0.5，刻蝕深度為80 nm，在隱埋氧化層中分別引入了厚110 nm 和270 nm的Si，將透射到襯底的光進(jìn)一步反射到光柵中再次衍射，最終得到了81%的耦合效率、80 nm的大帶寬和8°的耦合角。

圖5 傳統(tǒng)均勻光柵和刻蝕深度漸變光柵的耦合效率對(duì)比

受衰減因子的影響，光柵的耦合模場(chǎng)沿傳播方向呈指數(shù)衰減，只有部分光功率耦合進(jìn)光纖內(nèi)，造成耦合效率低。為減小這部分功率衰減，Wissem等[30]提出，通過(guò)調(diào)整光柵的FF和Λ，實(shí)現(xiàn)單模光纖與納米SOI波導(dǎo)間的高效耦合，并考慮到工業(yè)上可實(shí)現(xiàn)的最小加載條r和凹槽g，自定義占空比：

(12)

對(duì)于波長(zhǎng)1 550 nm的TE偏振光，帶有底部金屬反射鏡的光柵1有26個(gè)周期，且Λ=600 nm，占空比為0.5，頂層硅厚250 nm，隱埋氧化層厚度為3 μm，刻蝕深度為70 nm，光纖的傾角為9°。經(jīng)算法優(yōu)化，確定rmin=87 nm，gmin=42 nm，并實(shí)現(xiàn)了-0.26 dB的耦合效率。光柵2、3在保持周期和刻蝕深度不變的情況下優(yōu)化可得rmin=115 nm，gmin=60 nm，-0.33 dB的耦合效率和rmin=115 nm、gmin=110 nm、-0.41dB的耦合效率。如圖6所示[30]，3種光柵理論上均可獲得超過(guò)-0.5 dB的耦合效率和 43 nm寬的1 dB帶寬。

圖6 FF和L漸變的光柵耦合器及耦合效率

傳統(tǒng)的均勻光柵耦合器通過(guò)改變周期、刻蝕深度、占空比等已很難將耦合效率提高到80%以上。為得到小尺寸、高效率及大帶寬的光柵，研究人員改變光柵結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出傾斜光柵[31-32]、閃耀光柵[33-34]、二元閃耀光柵[35-36]及切趾光柵[37-38]等一系列高效率的光柵耦合器，將系統(tǒng)的集成化推到一個(gè)更高的層次。

2.2 傾斜光柵

傾斜光柵因其較高的耦合效率不僅是光柵耦合的最佳選項(xiàng)之一，也是一種理想的起偏器，具有較高偏振相關(guān)損耗PDL、低插入損耗、結(jié)構(gòu)緊湊及與光纖器件兼容性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在光纖傳感和光纖激光器等領(lǐng)域[39-43]。

制備傾斜光柵的工藝主要有反應(yīng)離子刻蝕(RIE)和聚焦離子束刻蝕(FIB)[44]。傳統(tǒng)的RIE刻蝕需要保證樣品表面垂直，對(duì)于傾斜光柵的刻蝕，則需采用特殊的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1996年，Li等[45]掌握了亞微米級(jí)光柵的制造工藝，在全息曝光和顯影后，采用特殊加工的法拉第籠法來(lái)改變RIE中的等離子體方向，但由于光柵槽形和占空比控制不佳，耦合效率并未達(dá)到峰值。Milier等[46]將樣品傾斜30°，但受限于RIE不能加工有大傾角的傾斜光柵，且對(duì)薄膜表面損傷大，易造成污染，難以刻劃出更精細(xì)的凹槽，所制備的光柵耦合效率僅為49%，相較于均勻光柵未有大的突破，未得到大規(guī)模的推廣。后續(xù)研究人員在此基礎(chǔ)上，研發(fā)新型設(shè)備反應(yīng)離子刻蝕 (RIBE)[47]，采用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工藝控制和清洗器件表面。Levola等[48]采用RIBE，將離子化的氬刻蝕束傾斜入射至基板，并通過(guò)向真空室內(nèi)添加反應(yīng)氣體氟利昂，增加了SiO2和Cr之間的選擇性。在入射光波長(zhǎng)λ=532 nm，功率為0.2 mW時(shí)，1級(jí)衍射的理論衍射效率為83%，所得樣品耦合效率可達(dá)80%，其結(jié)構(gòu)如圖7所示[48]。

圖7 RIBE加工傾斜光柵

為進(jìn)一步縮減光柵尺寸，提升其集成度，Wang等[49]設(shè)計(jì)了一款傾斜光柵耦合器(SLGC)。由于光柵耦合器的集成度高，且需要將其劃分為多個(gè)矩形子光柵以近似SLGC，因此不能應(yīng)用嚴(yán)格的電磁光柵理論如嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)[50]和本征模擴(kuò)展方法(EEM)[51]。綜上所述，采用有限差分時(shí)域(FDTD)[52]分析和設(shè)計(jì)傾斜光柵，仿真如圖8所示[49]。

圖8 FDTD中均勻與非均勻傾斜光柵截面示意圖

在2D-FDTD中，入射光為高斯光束，光纖纖芯和包層的折射率分別是1.507 3 和 1.46，傾斜光柵刻蝕在SOI波導(dǎo)頂部的Si3N4中，并用SiO2包住整個(gè)結(jié)構(gòu)。基于強(qiáng)耦合機(jī)制，短周期光柵可實(shí)現(xiàn)高效耦合，因此，選定均勻傾斜光柵周期為1.026 3 μm,刻蝕深度為1.626 3 μm,占空比為0.23,光柵傾角為34.98°，仿真得到72.9%的耦合效率。為進(jìn)一步提高耦合效率，采用非均勻傾斜光柵，SLGC中18個(gè)光柵脊的占空比在10%～90%內(nèi)獨(dú)立變化，其余變量與均勻傾斜光柵相同，最終可實(shí)現(xiàn)80.1%的耦合效率。與均勻傾斜光柵相比，非均勻傾斜光柵在僅改變占空比的情況下，耦合效率提高了7.2%。

LIGHTTRANS公司仿真設(shè)計(jì)了傾斜二進(jìn)制光柵，采用RCWA對(duì)光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如圖9所示[53]。在光柵傾角為34°，占空比為0.57，周期為405 nm、刻蝕深度為324 nm時(shí)，光柵+1級(jí)耦合效率可達(dá)93.659%，遠(yuǎn)超過(guò)均勻光柵耦合器的耦合效率(11.551%)，打破了光柵耦合器效率低的難題，為后續(xù)的發(fā)展提供了一定的選擇。

圖9 基于RCWA的傾斜光柵與均勻光柵耦合效率對(duì)比

Lu等[32]基于RCWA和模擬退火優(yōu)化算法，開創(chuàng)性地設(shè)計(jì)了具有寬入射波長(zhǎng)和折射率漸變的四層傾斜光柵。如圖10所示[32]，光柵第一、四層均是Al2O3，折射率為nr1，厚度分別為h1和h4；第二層是TiO2，折射率為nr2，厚度為h2；第三層是折射率為nr3的Si層, 厚度為h3。光柵的傾角為γ，占空比FF=b/d(其中b為脊寬，d為周期)。仿真模擬發(fā)現(xiàn)，在d=699.3 nm，h1=531.7 nm，h2=547.7 nm，h3=972.4 nm、h4=814.9 nm，F(xiàn)F=0.338 8、γ=71.64°時(shí)，該光柵在可見光范圍(550～680 nm)內(nèi)的3 dB帶寬為 130 nm，平均耦合效率為95%(TE與TM偏振)，PDL小于0.2 dB，入射角度范圍為-2°～45°。

圖10 折射率漸變的四層光柵結(jié)構(gòu)示意圖

由圖10可看出，傾斜光柵的耦合效率普遍較高，但傾斜光柵加工難，工藝復(fù)雜。傳統(tǒng)的RIE很難實(shí)現(xiàn)良好的光柵齒型和刻蝕深度的控制，F(xiàn)IB雖然可實(shí)現(xiàn)傾斜刻蝕，但刻蝕速度較慢，會(huì)出現(xiàn)刻蝕不動(dòng)的情況，且FIB對(duì)工藝要求高，必須嚴(yán)格控制刻蝕深度和傾斜角度，與傳統(tǒng)的CMOS工藝難以兼容。RIBE可以實(shí)現(xiàn)較好的控制，所制成樣品雖有參差，但整體是優(yōu)于RIE，且RIBE可以用于大規(guī)模制造傾斜光柵，這也是目前比較推薦的傾斜光柵的制備方法。

2.3 閃耀光柵

閃耀光柵的制作方法較多，如機(jī)械刻劃法、全息干涉法、全息離子束刻蝕法及灰度曝光技術(shù)等[21, 54-57]。機(jī)械刻劃法加工的閃耀光柵精密度低，誤差大，粗糙度大，同時(shí)還帶有其固有的“鬼線”，難以應(yīng)用在高密度光柵和小閃耀角光柵上。

全息干涉法包含了駐波法[58]與傅里葉合成法[59-60]。駐波法通過(guò)調(diào)整薄膜與干涉光場(chǎng)的角度，在光刻膠內(nèi)形成角度的傾斜，顯影后即可在頂層硅上獲得閃耀光柵。傅里葉合成法是將鋸齒狀閃耀光柵拆解為多個(gè)正弦形光柵，并通過(guò)曝光在光刻膠上形成所需光柵。全息干涉法雖克服了機(jī)械刻劃法所固有的鬼線，但其加工的光柵閃耀角參數(shù)難以精細(xì)化控制，導(dǎo)致槽形變差，降低了光柵的耦合效率。

全息離子束刻蝕技術(shù)[61-62]繼承了全息干涉法的無(wú)鬼線、高信噪比等特點(diǎn)，又因其制造成本低等原因，目前已被世界各大廠商引進(jìn)。其原理與全息干涉法類似，但全息離子束刻蝕可精密控制光柵的高度、刻蝕深度及刻蝕速率等，其理論上可加工任意閃耀角的光柵。1976年，Aoyaga等[63-64]首次報(bào)道全息離子束刻蝕閃耀光柵，在砷化鎵(GaAs)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基底上，加工了各種閃耀角(7°～26°)的光柵。

1998年，Osterried等[65]在全息離子束刻蝕的基礎(chǔ)上提出，用浸漬涂覆(Dip Coating)法優(yōu)化，將加工的大閃耀角的光柵浸入特定的溶液，隨后烘干，即可獲得高精度閃耀角的光柵，并用此方法制作出了閃耀角為0.69°的閃耀光柵。

圖11 具有閃耀光柵的波導(dǎo)型HDM整體設(shè)計(jì)

近年來(lái)，灰度曝光技術(shù)[57, 66]也被應(yīng)用在閃耀光柵的制作上，利用灰度掩模對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)控，獲得不間斷變化的曝光深度來(lái)實(shí)現(xiàn)閃耀光柵的槽形。Mouroulis等[57]采用灰度曝光技術(shù)加工了周期為20 mm的閃耀光柵，其最大耦合效率可達(dá)80%。Mattelin等[67]進(jìn)一步拓寬該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)影像在PMMA波導(dǎo)內(nèi)傳輸。通過(guò)光柵的衍射，將影像傳輸至眼前，達(dá)到成像的效果。其設(shè)計(jì)的閃耀光柵閃耀角為43°，周期為508 nm，占空比為0.66。圖11為頭盔顯示器(HMD)的光學(xué)設(shè)計(jì)布局[67]。其中包括有用于圖像傳輸?shù)牟▽?dǎo)，用于將圖像輸入和輸出的閃耀光柵及通過(guò)波導(dǎo)傳輸圖案的光學(xué)引擎。加工的具有閃耀光柵結(jié)構(gòu)的HDM輸入效率為48.4%，輸出效率為17.4%。

為進(jìn)一步提高耦合效率，減小插入損耗，Su等[68]采用梯度算法來(lái)優(yōu)化閃耀光柵耦合器。由于3D-FDTD與2D-FDTD仿真間的耦合效率差異小，當(dāng)高斯光束波長(zhǎng)聚焦在1 550 nm時(shí)，3D仿真效率為2D仿真效率的97%，但2D-FDTD可減小仿真所需時(shí)間，因此，采用2D-FDTD來(lái)建模光柵耦合器。如圖12所示，光源采用高斯光束，所有仿真均在20 nm的空間離散化進(jìn)行，仿真區(qū)域的邊界條件為完美匹配層(PML)。實(shí)現(xiàn)了一種插入損耗低于0.2 dB、最小特征尺寸為50 nm、閃耀角為50°、1 dB帶寬為26 nm、耦合效率為95%的閃耀光柵。此外，Su等在文中設(shè)計(jì)了其他類型的光柵耦合器，包括切趾光柵、雙層光柵及多功能光柵耦合器。

圖12 經(jīng)梯度算法優(yōu)化后的閃耀光柵耦合器

由于閃耀光柵固有的遮蔽效應(yīng)[69-72]及對(duì)鋸齒面及面粗糙度的要求越來(lái)越嚴(yán)格，現(xiàn)有工藝很難滿足高精度閃耀角的加工，所以急需一種既可滿足現(xiàn)有工藝發(fā)展水平，又能有大衍射效率的光柵，這推動(dòng)了二元閃耀光柵的發(fā)展。二元閃耀光柵由一組寬度不同的光柵組成，根據(jù)形式雙折射理論，通過(guò)改變光柵間的寬度，調(diào)整折射率分布可將其等效為折射率漸變的閃耀光柵[69, 73-74]。其在微納集成光電子器件上有巨大的潛力，作為耦合器的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)濾波器、偏振分?jǐn)?shù)器、反射器及模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器等[75-78]功能。

圖13為雙層二元閃耀光柵及仿真圖。2007年，F(xiàn)eng等[23]提出了使用雙層二元閃耀光柵耦合器的新型偏振分束器，將來(lái)自光纖的法向入射光根據(jù)偏振態(tài)分開，耦合到兩個(gè)波導(dǎo)中。該耦合器上層用于TE模式的耦合，下層用于TM模式。TE與TM間的SiO2厚度無(wú)嚴(yán)格要求，但SiO2較薄可提高下層耦合器的耦合效率。由FDTD仿真結(jié)果可知，上層TE模式的耦合效率為58%，下層TM模式的耦合效率為50%。Feng同時(shí)指出，在基底添加分布式布喇格反射鏡可提高耦合效率。

圖13 雙層二元閃耀光柵及仿真圖

Xu等[36]提出了一種在SOI平臺(tái)上完美實(shí)現(xiàn)傾斜耦合的高性能二元閃耀光柵耦合器，在工藝允許的范圍內(nèi)，對(duì)光柵的周期、刻蝕深度及子周期的占空比進(jìn)行了模擬，在波長(zhǎng)為1 550 nm時(shí)，其耦合效率為-1.78 dB，3 dB帶寬為100 nm，插入損耗為-4.64 dB，如圖14所示[36]。圖14 (c)為光通過(guò)二元閃耀光柵，從單模光纖耦合到波導(dǎo)的過(guò)程，大部分光功率成功耦合到波導(dǎo)中，僅有少部分光功率泄露到高折射率的硅襯底中。

圖14 二元閃耀光柵的SEM圖及場(chǎng)分布圖

在此前研究基礎(chǔ)上,閃耀和二元閃耀光柵實(shí)現(xiàn)了高效耦合與TE、TM偏振同時(shí)耦合的問(wèn)題，但兩者在樣品加工上還有一定弊端，閃耀光柵對(duì)于高精度閃耀角的需求很高，且對(duì)表面平滑度十分敏感。二元閃耀光柵制備的難點(diǎn)是最小寬度的凹槽難以實(shí)現(xiàn)，極易造成光柵的加工損耗，增加成本。相比于閃耀與二元閃耀光柵，切趾光柵更易加工。

2.4 切趾光柵

根據(jù)已有光柵設(shè)計(jì)，研究人員們將光柵的周期改為線性，在實(shí)現(xiàn)高效耦合的同時(shí)，降低了加工難度，實(shí)現(xiàn)變周期光柵耦合器(又稱切趾光柵[37,79-82])。如圖15所示，對(duì)比切趾光柵與普通光柵的輸出光功率強(qiáng)度分布可看出，從波導(dǎo)耦合到光纖一側(cè)時(shí)，切趾光柵充分發(fā)揮其變周期優(yōu)勢(shì)，將更多的光耦合進(jìn)光纖內(nèi)，減少光在自由空間的發(fā)散，從而大幅提升耦合效率。

圖15 均勻光柵與切趾光柵輸出光場(chǎng)對(duì)比

圖16 不同頂層硅厚度下的光柵耦合效率

2010年，Chen等[53]設(shè)計(jì)并制作了一種基于SOI平臺(tái)的切趾-均勻光柵耦合器，通過(guò)選擇合適的頂硅層厚度，優(yōu)化占空比，將前幾個(gè)周期的光柵設(shè)計(jì)為切趾型，之后為均勻光柵，可得到-1.2 dB的耦合效率和45 nm的3 dB帶寬。2015年，Angelo等[82]提出了一種切趾光柵，在無(wú)底部反射鏡時(shí)，對(duì)SOI平臺(tái)中的一維切趾光柵進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。采用FDTD仿真所得切趾光柵耦合效率為65%，與具有相同刻蝕深度的均勻光柵相比，切趾光柵耦合效率提升了11%。當(dāng)改變頂硅層厚度仿真實(shí)現(xiàn)89%的耦合效率，在考慮工藝對(duì)光柵的影響后，效率仍達(dá)85%，圖16為頂硅層厚度S=220 nm和340 nm時(shí)最佳均勻、線性啁啾和切趾光柵耦合效率，以及切趾設(shè)計(jì)與均勻設(shè)計(jì)相比的絕對(duì)耦合效率增益(為了分辨，增加了50 nm的偏移)[82]。

Marchetti等[83]提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，通過(guò)優(yōu)化占空比、周期和刻蝕深度，實(shí)現(xiàn)高效光耦合。與以往的切趾光柵不同，該光柵中周期是占空比的函數(shù)，占空比受線性切趾因子的影響，則有：

neff=FF·n0+(1-FF)·ne

(13)

FF=F0-T·z

(14)

(15)

式中：neff為有效折射率；n0，ne為光柵齒和刻蝕部分的折射率；F0為光柵的初始占空比；T為線性切趾因子；z為光柵實(shí)際位置到零點(diǎn)位置的距離，如圖17(a)所示[83]。

圖17 切趾光柵的橫截圖及設(shè)計(jì)原理

當(dāng)T確定時(shí)，F(xiàn)F與z呈線性變化，將結(jié)果代入式(13)可得不同的有效折射率，從而得到不同的光柵周期。在權(quán)衡工藝的情況下，選擇SOI平臺(tái)頂硅層為260 nm，線性切趾因子T=0.025，F(xiàn)0=0.9，刻蝕深度為160 nm，仿真可得其耦合效率為83%；當(dāng)T不變，刻蝕深度為230 nm，此時(shí)耦合效率為68%。由此看出，在保證其余因素不變時(shí)，若只增大刻蝕深度，耦合效率降低。SOI的頂硅層厚度為220 nm，根據(jù)T和刻蝕深度的不同，重新設(shè)計(jì)切趾光柵。當(dāng)刻蝕深度為110 nm，T=0.027 5，耦合效率最大為70%。Marchetti指出，構(gòu)建光柵周期與T、F0的關(guān)系式，進(jìn)一步拓寬了切趾光柵的種類，但該方法也存在一定弊端，即F0對(duì)工藝要求較高，當(dāng)F0=0.9時(shí)，該光柵的最小特征尺寸為60 nm，若進(jìn)一步增大F0，雖在一定程度上可獲得更高的耦合效率，但增加了制作難度，不利于實(shí)物的加工與測(cè)試。

除優(yōu)化占空比和周期等因素，還可通過(guò)在1個(gè)周期內(nèi)交錯(cuò)改變刻蝕深度，進(jìn)一步提升切趾光柵的耦合效率。如圖18(a)、(b)所示[84]，Luo等[84]采用粒子群優(yōu)化算法(PSO)進(jìn)行切趾設(shè)計(jì)，在標(biāo)準(zhǔn)SOI平臺(tái)上，采用交錯(cuò)刻蝕使g1深度為70 nm，g2深度為220 nm。2D-FDTD仿真光耦合進(jìn)波導(dǎo)的過(guò)程如圖18(b)所示，可得CE=-2.2 dB。Luo同時(shí)指出，該方法所設(shè)計(jì)的光柵在加工時(shí)可采用最小特征尺寸為140 nm的商用硅光子工藝加工，若在隱埋氧化層中加入金屬反射鏡，則會(huì)進(jìn)一步提升光柵的耦合效率，但增加成本及加工難度，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。

圖18 交錯(cuò)刻蝕和切趾光柵相結(jié)合的光柵耦合器

Kamandar等[38]采用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和梯度伴隨法來(lái)優(yōu)化具有100多個(gè)變量的光柵耦合器，對(duì)于單模光纖直徑為?10.4 pm，波導(dǎo)長(zhǎng)度為300 nm。通過(guò)FDTD仿真設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在1 550 nm波長(zhǎng)附近-0.35 dB的超高效率光柵耦合器。

通過(guò)光柵耦合器將硅光子高效、緊湊、新穎的耦合與封裝到光纖上已成為基本要求，近年來(lái)，基于SOI平臺(tái)的均勻、傾斜、閃耀、二元閃耀及切趾光柵耦合器發(fā)展迅速。表1為近期基于SOI平臺(tái)光柵耦合器的耦合效率、帶寬、刻蝕深度及周期等因素匯總。由表可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一光柵，增加分布式布喇格反射鏡(DBR)或金屬反射鏡可提升耦合效率，減小光在基底的吸收或在自由空間的發(fā)散。

續(xù)表

3 其他平臺(tái)的光柵耦合器

自1990年鈮酸鋰晶體產(chǎn)業(yè)化以來(lái)，被嘗試使用質(zhì)子交換等技術(shù)來(lái)制備光波導(dǎo)，但受限于當(dāng)時(shí)工藝，鈮酸鋰晶體的部分光學(xué)性能并未開發(fā)。隨著工藝的突破和LNOI的出現(xiàn)，開啟了鈮酸鋰在集成光學(xué)的應(yīng)用大門[11, 103-106]。此后基于LNOI的光柵耦合器等各類高性能的產(chǎn)品涌現(xiàn)出來(lái)。

2017年，Chen等[107-108]為提升單模光纖(SMF)與LNOI上的光柵的耦合效率，設(shè)計(jì)、制備并表征了具有金屬反射鏡的光柵耦合器，測(cè)得其最大耦合效率為20.42%。同年，Chen仿真和實(shí)現(xiàn)了在LNOI平臺(tái)上采用磁控濺射法沉積Si加載條的光柵耦合器，光柵通過(guò)聚焦離子束(FIB)刻蝕在Si加載條上，如圖19所示[108]。由2D-FDTD仿真可知，在波長(zhǎng)1 550 nm處，該結(jié)構(gòu)的整體耦合效率為31.62%，實(shí)物的耦合效率為2%(-18 dB)。在此基礎(chǔ)上，Yang等[109]將均勻光柵與亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)相結(jié)合，在LNOI上仿真并實(shí)現(xiàn)了脊波導(dǎo)光柵耦合器。該耦合器由均勻光柵、錐形直波導(dǎo)和短周期亞波長(zhǎng)光柵波導(dǎo)組成，在1 550 nm波長(zhǎng)附近，光柵周期為1.17 μm 時(shí)，對(duì)于TE偏振耦合效率可達(dá)-5.1 dB。

圖19 光束從光纖到芯片、芯片到光纖的整體示意圖及橫截面圖

2019年，Inna等[110]在Z切的LNOI上采用RIE法制備均勻光柵耦合器和匯聚型光柵耦合器，對(duì)于均勻光柵耦合器，選用TE偏振光，當(dāng)Λ=0.92 μm，占空比為40%時(shí)，光纖到光柵的耦合效率為44.6%，光纖到光纖的耦合效率為20%。修改周期和占空比等參數(shù)后，選用TM偏振光，其單次耦合效率為19.4%。改用匯聚型光柵耦合器后，對(duì)于TE偏振光的耦合效率為19.4%。實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖20所示[110]。

圖20 基于LNOI的均勻性光柵耦合器匯聚型光柵耦合器

為實(shí)現(xiàn)耦合效率的跨越式提升，2020年，Kang等[13]在Z切鈮酸鋰上，通過(guò)在底部追加金屬反射鏡實(shí)現(xiàn)了LNOI上的切趾光柵，如圖21(a)所示，該光柵耦合器由切趾光柵及均勻光柵組成。為進(jìn)一步提高耦合效率，Kang等設(shè)計(jì)的光柵齒為梯形，并非傳統(tǒng)的矩形，采用電感耦合等離子體刻蝕機(jī)(ICP-RIE)，加工精度為10 nm，所得樣品在TE(TM)偏振下周期為0.909 μm 、1.057 μm，實(shí)測(cè)其耦合效率分別可達(dá)72%、61.6%。隨后，Kang等采用PSO算法優(yōu)化該結(jié)構(gòu)，在TE偏振下耦合效率可達(dá)90%，刷新了基于LNOI上光柵耦合器的最高效率。

圖21 基于LNOI的切趾光柵整體示意圖及2D-FDTD中光從光纖耦合到波導(dǎo)的光場(chǎng)示意圖

類似于SOI平臺(tái)，LNOI因在鈮酸鋰薄膜和隱埋氧層間的高折射率對(duì)比度，使其成為了另一種可控的光學(xué)集成平臺(tái)。基于LNOI的光柵耦合器不斷成功，進(jìn)一步打開了集成光子學(xué)的大門，研究人員在LNOI上成功實(shí)現(xiàn)了低損耗波導(dǎo)[111-112]、電光調(diào)制器[113]及微環(huán)諧振腔[114-117]等應(yīng)用，為集成光學(xué)的可持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力。

4 結(jié)論

片上高效光互聯(lián)是當(dāng)今熱門話題之一，光柵以其高對(duì)準(zhǔn)容差、高耦合效率、相對(duì)簡(jiǎn)單的加工方式，以及較小的尺寸增加了系統(tǒng)的靈活性和可集成度，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集成光學(xué)、光譜分析、信號(hào)處理及空間光調(diào)制等領(lǐng)域。本文從原理、結(jié)構(gòu)、主要性能參數(shù)對(duì)傾斜耦合的光柵耦合器分類進(jìn)行了詳細(xì)描述。

本文首先介紹了光柵耦合器的關(guān)鍵性能指標(biāo)與布喇格條件，給出了光柵基本結(jié)構(gòu)圖，著重介紹了正傾斜耦合與負(fù)傾斜耦合的關(guān)系。基于正傾斜耦合，介紹了SOI平臺(tái)上均勻光柵的耦合特點(diǎn)、發(fā)展現(xiàn)狀。其次介紹了傾斜光柵與閃耀光柵，雖然傾斜和閃耀光柵都能達(dá)到較高的耦合效率，但都對(duì)偏振敏感，且制作精度高，難度大，對(duì)表面污染敏感。因此，本文又介紹了基于SOI平臺(tái)的二元閃耀光柵和切趾光柵。二元閃耀光柵在達(dá)到高效耦合的同時(shí)又解決了偏振相關(guān)問(wèn)題，但較小的周期性凹槽難以精密加工；而切趾光柵雖在現(xiàn)階段不能解決偏振問(wèn)題，但因其制造工藝簡(jiǎn)單，易加工，耦合效率高，成為近幾年的研究熱點(diǎn)。最后，介紹了基于LNOI平臺(tái)的幾種光柵耦合器，其效率也不斷突破，目前耦合效率最高可達(dá)90%。

本文對(duì)光柵耦合器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，但目前對(duì)于光柵耦合器的研究仍處于實(shí)驗(yàn)階段，并未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，對(duì)光柵耦合器的未來(lái)發(fā)展做以下展望：

1) 光柵的耦合效率仍是最重要的指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)研究也不斷驗(yàn)證此觀點(diǎn)。雖然通過(guò)增加底部金屬反射鏡和DBR可減少光在基底或自由空間的損耗，有效地提高光柵的耦合效率，但也增加了成本和加工難度，不易大規(guī)模生產(chǎn)，因此后續(xù)研究應(yīng)在不額外增加成本的情況下，盡可能地提升耦合效率，達(dá)到高效的片上互聯(lián)。

2) 與水平耦合器相比，基于SOI和LNOI的光柵耦合器帶寬未實(shí)現(xiàn)大的突破。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，光柵耦合器的3 dB帶寬為100～150 nm，1 dB帶寬為50～80 nm，小的帶寬限制了耦合器的應(yīng)用，今后的發(fā)展應(yīng)著手突破帶寬的限制。

3) 光柵耦合器的高對(duì)準(zhǔn)容差簡(jiǎn)化了片上耦合的過(guò)程，但高對(duì)準(zhǔn)容差帶來(lái)的耦合效率分布不均難題并未得到很好地解決，光纖位置的調(diào)整極易改變光柵耦合器的耦合效率。在未來(lái)產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，應(yīng)確保光纖與光柵的相對(duì)位置不變，從而實(shí)現(xiàn)耦合效率最大化。

隨著制造工藝和研究工作的不斷突破，光柵耦合器的耦合效率、偏振相關(guān)損耗及帶寬等特性將不斷提升，可以預(yù)見，光柵耦合器將沿著大規(guī)模應(yīng)用的方向迅速發(fā)展，并逐步走向成熟，成為集成光學(xué)領(lǐng)域不可或缺的一環(huán)。