【Lumerical系列】无源器件-端面耦合器2丨十字型异质多芯波导 原创

本期是Lumerical系列中无源器件专题-端面耦合器第二期。本期主要基于一种十字型异质多芯波导的端面耦合器进行详尽分析，并通过Ansys Lumerical MODE模块中的FDE Solver 和EME Solver，对波导的宽度和波导之间的距离以及劈尖波导的长度和相对位置进行优化，最终实现了与高数值孔径光纤（HNAF）的高效率耦合。

背景介绍

随着光芯片制造工艺中套刻技术的发展和三维波导制造工艺的不断完善，多层波导的制造工艺需求逐步被满足，目前越来越多的研究聚焦于高折射率、小截面尺寸的波导。其中  在光通信波段具有透明窗口和低温度敏感性，且工艺与CMOS高度兼容，其在硅光体系中得到了广泛的应用。  薄膜的沉积工艺和刻蚀工艺十分成熟，其折射率略大于  和SiON，它对光场的约束能力介于Si波导和  包层之间，因此成为基于高折射率、小截面尺寸波导的端面耦合器设计中最具潜力的材料之一。

2021年，Sun  等提出了采用5根  波导的端面耦合器结构，其与模场直径为8.2 μm的光纤的耦合损耗达0.44 dB。传统SOI波导一般位于芯片波导区的最底层，而在其设计中，底层的  波导低于SOI波导，使得制备难度很大。2022年，Liang等  采用对  包层进行高折射率掺杂以及对  包层进行深刻蚀的设计方式，实现了与标准单模光纤之间的耦合，耦合损耗同样低于1 dB。2023年，Yu  和He  等人仅用1层  波导且不对  包层进行高折射率掺杂和深刻蚀的端面耦合器，分别在铌酸锂波导体系和三五族波导体系中完成了光纤耦合，其耦合损耗分别达到了0.75 dB和1.175 dB。而本期文章我们要分析的是一种基于十字型  波导的异质多芯SOI波导端面耦合器  ，实现了与高数值孔径光纤（HNAF）的高效率耦合。

结构设计

基于十字型波导的端面耦合器的整体结构如图1（a）所示，包括十字型波导结构和绝热演变型定向耦合结构。图1（b）是十字型波导的横截面图，相较于传统的矩形波导结构，该设计涉及额外的2层  沉积和刻蚀工序。在十字结构中，上层1根和中间3根波导都为  波导，底层1根波导为Si波导。此异质多芯波导端面耦合器得益于底层为硅波导的设计方式，简化了制造流程，降低了制造成本。从左到右看，光场先通过  绝热劈尖，从Si波导耦合到单根  波导，再由  -十字波导劈尖转移至十字型波导端面 ，并与光纤耦合，图1（c）展示了十字型异质多芯波导的模场分布。

图1 （a）十字型波导耦合器的整体结构图；（b）十字型异质多芯波导的截面图；（c）十字型异质多芯波导的模场分布图

参数优化

1. 十字型波导的设计

选定  的厚度为300 nm，侧壁倾斜角度为80°。通过Ansys Lumerical MODE模块中的EME Solver进行参数扫描，可得十字型波导与高数值孔径光纤的光场之间的模场匹配度与d、w的关系如图2所示，图2（a）和图2（b）分别表示TE模和TM模的模场匹配度，其中d表示波导与中心波导的中心距，而w表示  波导的宽度。通过选择合适的d和w的值以实现最优耦合效率。

图2 十字型波导与HNAF光纤的模场匹配度。（a）TE模；（b）TM模

2.底层半刻蚀硅波导的设计

将十字型波导中的  波导的尺寸参数设置为第一步分析得到的最优值。用第一步扫描的方法可得十字型波导与高数值孔径光纤的模场匹配度与  和  的关系如图3所示，其中  表示底层Si波导与中心  波导的距离，而  表示Si波导的宽度。当半刻蚀Si波导的厚度设定为70 nm时，其与光纤的模场匹配度如图3（a）、（b）所示，而当Si波导的厚度设定为150 nm时，其与光纤的模场匹配度如图3（c）、（d）所示。由图分析可知150 nm厚度的半刻蚀Si波导更适合本端面耦合器的设计，同时，还需选择合适的  和  以实现最优耦合效率。

图3 十字型波导TE模和TM模与光纤的模场匹配度。（a）和（b）为使用70 nm厚Si波导；（c）和（d）为使用150 nm厚Si波导

3.劈尖波导的设计

绝热型定向耦合器能够进行倏逝波定向耦合的条件为：当上下波导组合成的系统的有效折射率大于两个单波导的有效折射率时，模场可以从一个波导耦合到另一个波导中。因此，通过Ansys Lumerical MODE模块中的FDE Solver仿真了绝热型定向耦合器的有效折射率与构成定向耦合器的上下波导（下端波导为Si劈尖波导，上端波导为  劈尖波导）的有效折射率的差值，通过分析比较二者的折射率差值大小来确定绝热型定向耦合器2根劈尖波导的形状，以达到最优的模斑转换效率。图4展示了在不同Si波导、  波导宽度下，两波导组合结构的有效折射率与单个波导的有效折射率的相对差值，差值越大说明 光场的耦合越强。

图4 双波导有效折射率与单波导有效折射率的相对差随波导宽度的变化。（a）TE模；（b）TM模

在确定劈尖波导的宽度后，还需对劈尖波导的长度进行扫描，包括绝热劈尖长度和 -十字波导劈尖长度。这部分同样可使用Ansys Lumerical MODE模块中的EME Solver进行扫描，可得这两部分长度分别对模场转换效率的影响，分别如图5（a）和图5（b）所示。

图5（a）绝热劈尖长度对模场转换效率的影响；（b）Si3N4-十字波导劈尖长度对模场转换效率的影响

性能分析与总结

本篇文章主要是通过Ansys Lumerical MODE模块中的FDE Solver 和EME Solver，完成了对器件结构的设计。图6所示的仿真结果展示了SOI条形直波导与高数值孔径光纤（模场直径为4.0 μm）之间的模场转换情况。图6（a）展示了在1550 nm波长处所设计的端面耦合器在不同横截面处的光场分布，从图中可以看出，光场在I~III区域通过绝热劈尖实现了从下端Si劈尖波导到中心  劈尖波导的转移，光场在IV~V区域通过  锥形波导实现了从中心  波导到十字型波导结构的转移，模斑尺寸逐渐变大，直至在端面处与光纤完成对接。图6（b）是光场在耦合器内传输的剖面图。通过EME Solver仿真得到在1550 nm 处端面耦合器的耦合效率为97.1%（TE模式）、97.5%（TM模式）。

图6 光场在模斑转换器中的传输情况。（a）对应横截面的模场分布；（b）光场分布的俯视图

除性能结果外，该器件在工艺上也具有一定优势，其不需对  包层进行深刻蚀、不涉及包层掺杂的高耦合效率  -半刻蚀Si十字型异质多芯波导端面耦合器结构，其制造过程相较于传统SOI芯片制造仅增加了两层  波导的制造，除了两层  波导的层间距离不适用于多项目晶圆（MPW）之外，其他工艺均可以通过MPW实现。

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参考文献：

[1] Sun S, Chen Y, Sun Y, et al. Novel low-loss fiber-chip edge coupler for coupling standard single mode fibers to silicon photonic wire waveguides[C]//Photonics. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2021, 8(3): 79.

[2] Liang Y, Li Z, Fan S, et al. Ultra-low loss SiN edge coupler interfacing with a single-mode fiber[J]. Optics Letters, 2022, 47(18): 4786-4789.

[3] Yu Z, Yin Y, Huang X, et al. Silicon nitride assisted tri-layer edge coupler on lithium niobate-on-insulator platform[J]. Optics Letters, 2023, 48(13): 3367-3370.

[4] He A, Cui Y, Xiang J, et al. Ultra‐Low Loss SiN Edge Coupler for III‐V/SiN Hybrid Integration[J]. Laser & Photonics Reviews, 2023, 17(10): 2300100.

[5] 张立桀, 范艳晶, 胡晶晶, 等. 基于十字型异质多芯波导的硅光端面耦合器[J]. Acta Optica Sinica, 2024, 44(19): 1913001-1913001-8.