8、硅纳米光子集成电路与单模光纤的衍射光栅耦合技术

硅纳米光子集成电路与单模光纤的衍射光栅耦合技术

1. 硅基光电子技术背景

硅基绝缘体上硅（SOI）平台凭借其硅波导芯与SiO₂或空气包层之间的高折射率对比度，成为大规模光子集成电路的关键平台。这种高折射率对比度使单个光学功能器件的尺寸大幅减小，推动了大规模集成光学电路的发展。同时，基于标准CMOS技术在200 - mm或300 - mm晶圆上制造光子集成电路，实现了低成本的大规模生产，并受益于CMOS制造工艺的稳定和高产。然而，SOI平台在与单模光纤接口时面临巨大挑战，单模光纤的模场面积约为100μm²，而纳米光子单模波导的模场面积仅约0.1μm²，这种巨大的模式尺寸不匹配是高折射率对比度波导电路实际应用中的重要问题。

2. 光纤 - 芯片耦合问题的解决方案

• 三维绝热锥结构 ：理论上可用于将纳米光子波导的模式尺寸转换为光纤的模式尺寸，但该技术与CMOS不兼容，限制了其实际应用。
• 横向倒置锥结构 ：通过将硅纳米光子波导的宽度逐渐减小到亚100 - nm尺寸（利用先进的深紫外光刻技术），扩展光模式尺寸。在倒置锥结构上实现低折射率波导，可实现纳米光子波导与低折射率波导的高效耦合。然而，要与单模光纤接口，需要低折射率波导的横截面尺寸与单模光纤芯相当，这会带来两个主要问题：一是在光子集成电路上集成大芯径光波导会产生巨大的地形起伏，影响后续加工；二是将模式从纳米光子硅波导绝热转换到大芯径波导需要数千微米长的锥结构，抵消了高折射率对比度波导系统提高光学功能密度的优势。因此，目前该方法主要用于与透镜光纤接口，可实现低插入损耗（低于1 dB）和宽光学带宽（通常数百纳米）的耦合，但需