悬臂式光栅耦合器（suspended grating coupler）

这篇笔记介绍一篇OFC2019的研究进展“Efficient Optical I/O in Standard SiPh Process”。美国贝尔实验室通过一种新的加工方式，巧妙地实现了悬空的光栅耦合器，其耦合效率约为-1.3dB。

关于硅光芯片的两类耦合器，之前的笔记已经做过详细介绍 光栅耦合器 和端面耦合器。端面耦合器的优势是耦合效率高，工作带宽大，偏振不敏感等，但是其只能位于芯片边缘，不能进行on-wafer测试。光栅耦合器的优势是位置灵活，可进行在线测试，耦合对准容差大，但是其耦合效率相对较低（3-4dB），工作带宽较窄，偏振敏感。这里推荐一篇最新的review文章 “Coupling strategies for silicon photonics integrated chips”（文章链接https://www.osapublishing.org/prj/abstract.cfm?uri=prj-7-2-201），该文章详细列举了两类耦合器的最新进展 。

如何提高光栅耦合器的效率？已有的主要途径有：1）将芯片减薄，然后在芯片背面镀金属，增大反射，2）在Si波导上方生长多晶硅，增强光的方向性。但是这两种途径都需要额外的工艺制程。而Bell实验室给出了新的方案。我们知道，在硅光加工流程中，最后有一个步骤deep trench, 通过刻蚀形成dicing的沟道，如下图所示。悬臂式光栅耦合器正是基于该工艺流程。

（图片来自https://www.appliednt.com/nanosoi/）

Bell实验室利用deep trench这一工艺，将光栅耦合器的底部挖空，形成悬空的光栅耦合器，随后在悬臂的侧面沉积金属，增强反射，进而提高耦合效率。沉积金属这一步，不需要进行光刻，工艺简单。整个流程如下图所示，所有的加工在GlobalFoundary的硅光fab中完成。

（图片来自文献1）

研究人员比较了传统方案光栅耦合器和悬臂式耦合器的耦合效率，如下图所示，

（图片来自文献1）

透过率曲线提高了约10dB，对应到单端耦合器， 其耦合效率提高约5dB。

为了严格表征该耦合器的耦合效率，他们将含有该类型耦合器的芯片进行封装，测量其透射光谱，如下图所示，

（图片来自文献1）

由上图可以得知，悬臂式光栅耦合器的耦合效率约为1dB, 1dB带宽约为42nm。耦合效率得到了较大的提高。

但是该方案必须发生在芯片划切之后进行。由于借助于deep trench工艺，光栅耦合器必须位于芯片边缘。这两点都会限制该耦合方案的进一步应用。我们并不希望对单个die再进行额外的加工，而是希望所有的工艺流程在wafer划片前都已经完成。因此，小豆芽觉得该方案不是一个很有前途的解决方案，不利于大规模生产。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. A. Melikyan, et.al., "Efficient Optical I/O in Standard SiPh Process ", OFC 2019