端面耦合器的基本原理与优化方案

  上一篇笔记 — 光栅耦合器，主要介绍了光栅耦合器的基本原理与优化方案，这一篇笔记介绍另外一种常用的耦合器 — 端面耦合器 (edge coupler)。

  顾名思义，端面耦合器就是位于光芯片边缘(edge)的耦合器(coupler)。端面耦合器的优点是耦合效率高，工作带宽大，缺点是其位置必须位于芯片边缘，无法进行在线测试，对准容差小。

  由于单模波导的模斑尺寸与单模光纤的模斑不一定完全匹配(波导的模斑尺寸与其折射率对比度有关)，需要通过结构的设计，使得两者的模斑匹配，达到较高的耦合效率。 对于硅光波导，其单模波导的MFD(mode field diameter)为0.4-0.5um, 而单模光纤的MFD为9-10um，两者之间相差较大，两者的对比图如下图所示。两者若是直接耦合，耦合损耗约为-20dB。

(图片来自文献1)

  为了使得波导模场变大，使其与单模光纤模场匹配，最简单的做法是将波导宽度变细。波导变细后，其束缚光场的能力变弱，部分光场分布在包覆的SiO2中，其模斑尺寸变大。下图中硅波导的宽度从500nm减小到150nm, 模斑尺寸相应地增大。

  该类型的耦合器称为倒锥形端面耦合器(inverse taper)，如下图所示。沿着光的入射方向，波导宽度逐渐增大，最终与单模波导相连。倒锥形耦合器尖端的MFD约2-3um，还是无法较好地与单模光纤匹配。实验中通常使用lensed fiber进行耦合测量，可以得到较高的耦合效率。文献2中的耦合损耗为-0.7dB。

(图片来自文献2)

  为了进一步提高MFD, 人们在锥形耦合器的基础上，提出了多种结构。以下列举一些较为典型的结构。

  1. Si波导外包覆聚合物

  该结构是在锥形耦合器的基础上，在Si波导外层包覆聚合物，形成聚合物波导，如下图所示。光场先耦合进聚合物波导，进而转换到Si波导中。为了与CMOS工艺兼容，聚合物可以换成SiON。该方案的MFD仍然无法与单模光纤匹配。

(图片来自https://www.photond.com/products/fimmprop/fimmprop_applications_06.htm)

  2. 悬臂梁型耦合器

  一般SOI的埋氧层厚度为2um或者3um, 当MFD进一步增大时，光场就会泄露到埋氧层下方的衬底硅中，造成较大的能量损失。为此，人们提出了悬臂梁型耦合器(cantilever coupler), 其主要思路是将底部的硅通过特定的工艺刻蚀掉，剩余的SiO2与空气构成波导,其光场不再泄露到Si中。由于该耦合器无底部支撑结构，而是悬空在那儿，因而称为悬臂梁型耦合器。光场先是耦合进SiO2波导中，进而慢慢耦合进Si波导中，其典型结构如下图所示。

(图片来自文献3)

  该结构的模场可以与单模光纤匹配，并且偏振不敏感，是一个较好的选择。但是其对加工工艺有一定要求，需要刻蚀掉衬底硅，另外其机械稳定性也需要考虑。

  3. 亚波长光栅型

  该结构对锥形耦合器结构进一步刻蚀，形成亚波长光栅(集成光路中的光栅)，如下图所示。其思路是通过引入光栅结构，降低了波导的等效折射率，使得MFD变大。该方案的MFD可以与单模光纤匹配，并且偏振不敏感。 其光栅的加工精度要求不高，在一般的fab里都可实现。

(图片来自文献4)

  4. 双层锥形结构

  该结构的锥形结构由厚度不同的taper构成，如下图所示。 厚度降低后，光场束缚能力进一步降低，因而MFD变大。但其MFD仍无法与单模光纤匹配。

(图片来自文献5)

  5. 多层SiN结构

  该结构通过SiN波导阵列，构建较大的模斑尺寸，如下图所示。结构较为复杂，需要生长多层SiN, 且彼此之间的距离需精确控制。

(图片来自文献6)

  这些结构的变体与改进方案，这里就不一一列举了。总结下来，其思路都是在锥形耦合器基础上进行改进，万变不离其宗，无论是上方覆盖层的改变(polymer型, 多层SiN结构)，还是底部衬底的去除(cantilever)，还是波导层结构的进一步修饰改良(SWG、bilayer)，其目的都是为了增大模斑尺寸，使MFD与单模光纤匹配。相比较而言，cantilever与SWG的优势明显，加工也相对简单。这也是为什么IBM采取cantilever+SWG的方案(IBM的硅光封装方案)。