近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的光子芯片實驗室與深圳大學合作，設計開發了一種新型的硅基亞波長光柵耦合器，可以同時實現超高再現性、超寬帶寬、超低反射的波導光場耦合。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）硅光子學在光通信、測距和傳感等領域有著廣闊的應用前景。首先，隨著2 μm光通信和光譜應用需求的增加，SWMIR波長成為探索硅光子學的新方向。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損耗，因此在高功率應用方面具有很高的應用潛力。此外，SWMIR波段的光子能量對應于一些氣體分子的基本振動躍遷，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目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）服務來制造。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特優點，在過去十年得到了廣泛的研究。然而，傳統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性之間存在權衡的限制，使得同時實現高效率、寬帶寬、低背反、高容差仍具有挑戰性。因此，開發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非常重要的研究課題。

在本項工作中，研究者們介紹了一種新的設計打破硅SWG耦合器件的這種權衡，能夠同時實現高性能和高再現性，用于高效穩定的光耦合。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構的低有效折射率斜率區域，即較大的亞波長占空比區域（圖1b中藍色陰影區），設計SWG光柵耦合器。在仿真設計中，通過人為引入占空比來模擬制作過程中的誤差，仿真結果表明，比起先前研究中的220 nm厚耦合器，所提出的SWG耦合器對于所引入的占空比變化，在波長偏移、相對耦合效率變化方面均展現出超高容差，同時也具有更寬的光學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果。(a)SWG耦合器俯視示意圖。(b)不同亞波長占空比下SWG結構的RI和RI斜率。引入占空比變化δFy對220 nm小占空比和70 nm大占空比SWG耦合器在(c)波長偏移、(d)相對耦合效率變化、(e)1-dB帶寬、和(f)背向反射等方面的比較。藍色陰影區域表示70 nm厚SWG耦合器的性能變化范圍。

基于上述仿真結果，研究者們利用高分辨率的納米制造設備和多項目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）服務制作了光柵耦合器。利用納米制造設備加工的SWG耦合器可同時獲得-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，同時對0.2的占空比變化表現出高制造再現性，實驗結果如圖2a和2b所示。利用MPW服務制作的SWG耦合器測試結果如圖2c和2d所示，相比220 nm厚SWG器件，亞波長占空比變化對所提出的SWG器件耦合效率和中心波長的影響可忽略不計，并且，極小的F-P腔波紋抖動也證實了其低背反射的優勢?？傊?，本項研究可以同時實現超高再現性、超寬帶寬以及超低背向反射的高效光耦合，為開發具有高性價比和高可重復性的硅SWG耦合器提出了新的思路。

圖2利用納米加工設備和MPW服務制作的SWG耦合器的實驗測量結果。采用納米加工設備制作的(a)三個相同的70 nm厚SWG耦合器與(b)占空比變化的70 nm厚SWG耦合器實驗結果。利用MPW服務制作的占空比變化的(c) 220 nm厚SWG耦合器與(d) 70 nm厚SWG耦合器的實驗結果。

本論文第一作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的碩士生張舒蛟、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精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授與深圳大學物理與光電工程學院的王佳琦副教授。該工作得到了國家自然科學基金（62175179, 62161160335）、天津市自然科學基金（23JCJQJC00250）廣東省自然科學基金（2022B1515130002, 2023A1515011189）項目的支持。