『科普小知识』硅光波导与光纤的耦合技术介绍
2024-08-0549概述
在集成光子学领域中，光波导之间或芯片与光纤之间的光能传输一直是一个关键问题。而对于高速硅光模块来说，激光器发出的光信号需要进入到其他光路器件中（如WDM或调制器），最终光路信号也需要进入探测器进行光电转换。这一发一收的过程中均会涉及到光信号在不同介质间的传递。随着光模块密度和速率越来越高，提升光路耦合效率也是各大厂商面临的问题。在本篇文章中，我们将对目前发展成熟的一些光路对接，波导光纤耦合方案作简单整理和介绍。
端面耦合
端面耦合又称为对接耦合或边缘耦合。顾名思义，即光纤端面和波导（芯片）端面直接对接，或者在其中间加入某些其他材料，以增加耦合效率的耦合方式。对于边缘耦合来说，提到最多的即是模斑转换器的设计。我们知道光在光纤中传输和在特殊材料的波导中传输时的光斑大小是不一样的，为了提高传输效率，可在其间加入一些特殊结构，利用光路变化达到最佳模场匹配，实现最大功率传输。
平面直波导结构
弯曲和悬挂波导结构
模斑转换器（SSC）最常见的结构为平面直波导结构，其在1.55μm的输入波长下可获得零点几dB的净传输损耗。但是随着模块内封装体积减小，密度变大，此种方式波导耦合器会被挤到芯片边缘，不利于芯片上的光子集成。为此，有人也开发了另一种弯曲悬挂波导结构，充分利用Z轴的三维空间，实现高密度多器件封装 [1]。
（A）
Flip-chip
Takanori Shimizu[2]等人采用倒装焊接的方式把多个FP光源阵列和SSC耦合，实现带宽超过10Tbit/s的高速光互连多通道混合集成光源封装。输出端口的光功率最小标准差为0.49dB。
图片来源：https://www.mdpi.com/2304-6732/2/4/1131
（B）
光子引线缝合
1.芯片波导、光纤等放到同一基座上，然后将互连区域嵌入光敏抗蚀剂中，使用具有低于100nm精度的3D机器视觉技术来检测抗蚀剂内波导刻面和耦合结构的实际位置。
2.使用光子刻蚀技术按照预先设计好的路径参数进行精细刻蚀，完成刻蚀后去除未曝光的材料，形成自定义的引线导通。
3.最后在外层添加低折射率材料，形成光波低损传输的全反射条件。
图片来源：https://www.vanguard-automation.com/photonic-wire-bonding-2/
光栅耦合
另一种使用较多的耦合方式为光栅耦合。端面耦合尽管可以做到极低的损耗，但其天生的模场难匹配和复杂的端面处理，对生产和制造的工艺有很高的要求。而使用光栅结构垂直耦合可以较好解决模场匹配问题，同时可减小尺寸，不需要特别精准的端口对接。
为了提高光栅的耦合效率和耦合方向性，研发人员提出了多种光栅结构方案：
（A）
切趾光栅（遍迹光栅）
当波导中被引导的光从具有空间变化的非均匀光栅元件衍射时，光栅表面处的输出场分布类似于高斯形状，这可以导致光纤面处的更高模式重叠，从而实现更高的耦合效率。
（B）
方向性光栅结构
光栅耦合效率较低的原因之一是衍射方向性较差或有部分光散射到衬底。针对此问题的解决方案有改变光栅结构厚度或者增加衬底反射器。
图A为增加衬底反射器结构，测量得到最大耦合效率为1.58dB（69.5%）、1dB带宽为36nm。图C为外延生长的光栅结构，最大耦合效率为1.6dB（69.2%）、1dB带宽为44nm。
图片来源：https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/nanoph-2018-0075/html
空间光路耦合
除了以上两种耦合方案，也有人提出了使用空间光路进行耦合。通过微纳光学对光信号传输结构进行精细设计和控制，以达到高效的耦合效率和较小体积。
（A）
透镜变换
通过特殊设计的收光卡槽阵列使自由空间光束缚在其中传输，其后放置特殊的超透镜阵列，设计透镜相关结构参数使后面波导端面位于透镜焦距处，并保证光斑大小，入射方向匹配波导面的通光口。此种方案的优势在于可减小光的偏振影响，并大幅提升收光能力[3]。
图片来源：https://www.doc88.com/p-97616176711318.html
（B）
透镜光纤
根据应用场景需求的不同，使用透镜光纤直接耦合也是一种选择，不同形状结构的光纤端面有不同的耦合效果。透镜光纤多用于单个激光器的尾纤输出，同时，微结构光纤也可用于光纤传感领域。
图片来源：http://www.longspectrum.com/admin/images/userfiles/file/Lensed%20Fiber%20and%20Fiber%20Lensing.pdf
总结
随着耦合技术的不断发展，各种高效率、且具备各种参数测量优势（损耗、色散、偏振等）的耦合技术层出不穷。针对耦合端面质量分析、耦合传输损耗、芯片内部反射异常等各种光链路检测，东隆集团自研的OCI设备均可实现内部分布式检测和各种光参量分析，非常适合产品研发分析或生产出货测试。
参考文献
[1] High-efficiency broadband light coupling between optical fibers and photonic integrated circuits；Gyeongho Son , Seungjun Han；Open Access Published by De Gruyter October 20, 2018；
[2] Optical Characteristics of a Multichannel Hybrid Integrated Light Source for Ultra-High-Bandwidth Optical Interconnections；Takanori Shimizu；Photonics 2015, 2, 1131-1138;
[3] 自由空间光与光子芯片端面耦合方法, 2021,韩春蕊, 专利号: 202111090252.4
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