本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第二期。本期主要基于一種十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)的端面耦合器進(jìn)行詳盡分析，并通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，對波導(dǎo)的寬度和波導(dǎo)之間的距離以及劈尖波導(dǎo)的長度和相對位置進(jìn)行優(yōu)化，最終實現(xiàn)了與高數(shù)值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。隨著光芯片制造工藝中套刻技術(shù)的發(fā)展和三維波導(dǎo)制造工藝的不斷完善，多層波導(dǎo)的制造工藝需求逐步被滿足，目前越來越多的研究聚焦于高折射率、小截面尺寸的波導(dǎo)。其中Si3N4在光通信波段具有透明窗口和低溫度敏感性，且工藝與CMOS高度兼容，其在硅光體系中得到了廣泛的應(yīng)用。Si3N4薄膜的沉積工藝和刻蝕工藝十分成熟，其折射率略大于SiO2和SiON，它對光場的約束能力介于Si波導(dǎo)和SiO2包層之間，因此成為基于高折射率、小截面尺寸波導(dǎo)的端面耦合器設(shè)計中最具潛力的材料之一。2021年，Sun[1]等提出了采用5根Si3N4波導(dǎo)的端面耦合器結(jié)構(gòu)，其與模場直徑為8.2 μm的光纖的耦合損耗達(dá)0.44 dB。傳統(tǒng)SOI波導(dǎo)一般位于芯片波導(dǎo)區(qū)的最底層，而在其設(shè)計中，底層的Si3N4波導(dǎo)低于SOI波導(dǎo)，使得制備難度很大。2022年，Liang等[2]采用對SiO2包層進(jìn)行高折射率摻雜以及對SiO2包層進(jìn)行深刻蝕的設(shè)計方式，實現(xiàn)了與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖之間的耦合，耦合損耗同樣低于1 dB。2023年，Yu[3]和He[4]等人僅用1層Si3N4波導(dǎo)且不對SiO2包層進(jìn)行高折射率摻雜和深刻蝕的端面耦合器，分別在鈮酸鋰波導(dǎo)體系和三五族波導(dǎo)體系中完成了光纖耦合，其耦合損耗分別達(dá)到了0.75 dB和1.175 dB。而本期文章我們要分析的是一種基于十字型Si3N4波導(dǎo)的異質(zhì)多芯SOI波導(dǎo)端面耦合器[5]，實現(xiàn)了與高數(shù)值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。基于十字型波導(dǎo)的端面耦合器的整體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，包括十字型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和絕熱演變型定向耦合結(jié)構(gòu)。圖1（b）是十字型波導(dǎo)的橫截面圖，相較于傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該設(shè)計涉及額外的2層Si3N4沉積和刻蝕工序。在十字結(jié)構(gòu)中，上層1根和中間3根波導(dǎo)都為Si3N4波導(dǎo)，底層1根波導(dǎo)為Si波導(dǎo)。此異質(zhì)多芯波導(dǎo)端面耦合器得益于底層為硅波導(dǎo)的設(shè)計方式，簡化了制造流程，降低了制造成本。從左到右看，光場先通過Si-Si3N4絕熱劈尖，從Si波導(dǎo)耦合到單根Si3N4波導(dǎo)，再由Si3N4-十字波導(dǎo)劈尖轉(zhuǎn)移至十字型波導(dǎo)端面，并與光纖耦合，圖1（c）展示了十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)的模場分布。
圖1 （a）十字型波導(dǎo)耦合器的整體結(jié)構(gòu)圖；（b）十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)的截面圖；（c）十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)的模場分布圖
1. 十字型Si3N4波導(dǎo)的設(shè)計
選定Si3N4的厚度為300 nm，側(cè)壁傾斜角度為80°。通過Ansys Lumerical MODE模塊中的EME Solver進(jìn)行參數(shù)掃描，可得十字型波導(dǎo)與高數(shù)值孔徑光纖的光場之間的模場匹配度與d、w的關(guān)系如圖2所示，圖2（a）和圖2（b）分別表示TE模和TM模的模場匹配度，其中d表示波導(dǎo)與中心波導(dǎo)的中心距，而w表示Si3N4波導(dǎo)的寬度。通過選擇合適的d和w的值以實現(xiàn)最優(yōu)耦合效率。圖2 十字型波導(dǎo)與HNAF光纖的模場匹配度。（a）TE模；（b）TM模
將十字型波導(dǎo)中的Si3N4波導(dǎo)的尺寸參數(shù)設(shè)置為第一步分析得到的最優(yōu)值。用第一步掃描的方法可得十字型波導(dǎo)與高數(shù)值孔徑光纖的模場匹配度與dSi和wSi的關(guān)系如圖3所示，其中dSi表示底層Si波導(dǎo)與中心Si3N4波導(dǎo)的距離，而wSi表示Si波導(dǎo)的寬度。當(dāng)半刻蝕Si波導(dǎo)的厚度設(shè)定為70 nm時，其與光纖的模場匹配度如圖3（a）、（b）所示，而當(dāng)Si波導(dǎo)的厚度設(shè)定為150 nm時，其與光纖的模場匹配度如圖3（c）、（d）所示。由圖分析可知150 nm厚度的半刻蝕Si波導(dǎo)更適合本端面耦合器的設(shè)計，同時，還需選擇合適的dSi和wSi以實現(xiàn)最優(yōu)耦合效率。圖3 十字型波導(dǎo)TE模和TM模與光纖的模場匹配度。（a）和（b）為使用70 nm厚Si波導(dǎo)；（c）和（d）為使用150 nm厚Si波導(dǎo)
絕熱型定向耦合器能夠進(jìn)行倏逝波定向耦合的條件為：當(dāng)上下波導(dǎo)組合成的系統(tǒng)的有效折射率大于兩個單波導(dǎo)的有效折射率時，模場可以從一個波導(dǎo)耦合到另一個波導(dǎo)中。因此，通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver仿真了絕熱型定向耦合器的有效折射率與構(gòu)成定向耦合器的上下波導(dǎo)（下端波導(dǎo)為Si劈尖波導(dǎo)，上端波導(dǎo)為Si3N4劈尖波導(dǎo)）的有效折射率的差值，通過分析比較二者的折射率差值大小來確定絕熱型定向耦合器2根劈尖波導(dǎo)的形狀，以達(dá)到最優(yōu)的模斑轉(zhuǎn)換效率。圖4展示了在不同Si波導(dǎo)、Si3N4波導(dǎo)寬度下，兩波導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)的有效折射率與單個波導(dǎo)的有效折射率的相對差值，差值越大說明 光場的耦合越強(qiáng)。圖4 雙波導(dǎo)有效折射率與單波導(dǎo)有效折射率的相對差隨波導(dǎo)寬度的變化。（a）TE模；（b）TM模
在確定劈尖波導(dǎo)的寬度后，還需對劈尖波導(dǎo)的長度進(jìn)行掃描，包括絕熱劈尖長度和Si3N4-十字波導(dǎo)劈尖長度。這部分同樣可使用Ansys Lumerical MODE模塊中的EME Solver進(jìn)行掃描，可得這兩部分長度分別對模場轉(zhuǎn)換效率的影響，分別如圖5（a）和圖5（b）所示。圖5（a）絕熱劈尖長度對模場轉(zhuǎn)換效率的影響；（b）Si3N4-十字波導(dǎo)劈尖長度對模場轉(zhuǎn)換效率的影響本篇文章主要是通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，完成了對器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。圖6所示的仿真結(jié)果展示了SOI條形直波導(dǎo)與高數(shù)值孔徑光纖（模場直徑為4.0 μm）之間的模場轉(zhuǎn)換情況。圖6（a）展示了在1550 nm波長處所設(shè)計的端面耦合器在不同橫截面處的光場分布，從圖中可以看出，光場在I~III區(qū)域通過絕熱劈尖實現(xiàn)了從下端Si劈尖波導(dǎo)到中心Si3N4劈尖波導(dǎo)的轉(zhuǎn)移，光場在IV~V區(qū)域通過Si3N4錐形波導(dǎo)實現(xiàn)了從中心Si3N4波導(dǎo)到十字型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移，模斑尺寸逐漸變大，直至在端面處與光纖完成對接。圖6（b）是光場在耦合器內(nèi)傳輸?shù)钠拭鎴D。通過EME Solver仿真得到在1550 nm 處端面耦合器的耦合效率為97.1%（TE模式）、97.5%（TM模式）。
圖6 光場在模斑轉(zhuǎn)換器中的傳輸情況。（a）對應(yīng)橫截面的模場分布；（b）光場分布的俯視圖
除性能結(jié)果外，該器件在工藝上也具有一定優(yōu)勢，其不需對SiO2包層進(jìn)行深刻蝕、不涉及包層摻雜的高耦合效率Si3N4-半刻蝕Si十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)端面耦合器結(jié)構(gòu)，其制造過程相較于傳統(tǒng)SOI芯片制造僅增加了兩層Si3N4波導(dǎo)的制造，除了兩層Si3N4波導(dǎo)的層間距離不適用于多項目晶圓（MPW）之外，其他工藝均可以通過MPW實現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)：
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[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] 張立桀, 范艷晶, 胡晶晶, 等. 基于十字型異質(zhì)多芯波導(dǎo)的硅光端面耦合器[J]. Acta Optica Sinica, 2024, 44(19): 1913001-1913001-8.
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