9、衍射光栅实现集成电路与光纤的高效耦合

衍射光栅实现集成电路与光纤的高效耦合

1. 高效耦合至晶体硅波导层的方法

传统集成底部反射镜虽能实现高效耦合器，但存在需要晶圆键合或硅波导层为非晶硅层等缺点，不利于高速调制器集成。因此，研究出一种仅使用CMOS技术制造，能高效耦合至晶体硅波导层的方法。

1.1 实现高效耦合的机制

通过修改光栅设计，从本质上改变光栅的方向性，从而实现高效耦合。具体制造过程是，在蚀刻光栅线之前，先在要定义光栅的区域定义硅覆盖台面。

1.2 工作原理

硅覆盖层改变了光栅设计，使不同散射中心（具有固定相位关系）在光纤方向上产生相长干涉，而在朝向衬底方向产生相消干涉，从而增强了方向性。同时，为了与高斯光纤模式的尺寸匹配，还需要优化耦合长度。这两个要求可通过优化硅覆盖层厚度和光栅蚀刻深度来实现。模拟显示，这样可以接近 -1 dB 的理论耦合极限效率。

1.3 实验结果

使用CMOS技术制造了基于硅覆盖层方法的高效衍射光栅。硅覆盖层通过在开口的SiO₂掩模层中进行硅外延生长来定义。实验中，获得了 -2.6 dB 的耦合效率，1 dB 光带宽为 50 nm。由于制造的器件尺寸与设计尺寸存在偏差，实际效率低于预期的 -1 dB。考虑实际制造结构的尺寸后，二维FDTD模拟与实验获得的光纤耦合光谱吻合良好，这表明通过优化制造工艺可以实现 -1 dB 的耦合效率。

1.4 器件参数

参数	数值
最佳光栅层厚度