基于45°微曲面反射镜的垂直耦合器

这篇笔记介绍一种新型的耦合器，其光束最终从竖直方向输出，因为有别于光栅耦合器，姑且称之为"垂直耦合器"(vertical coupler)。

关于硅光芯片的耦合器，可参看小豆芽之前的笔记光栅耦合器、端面耦合器。这两种类型的耦合器各有利弊，端面耦合器耦合效率高，工作带宽大，但是无法进行on-wafer testing, 光栅耦合器耦合效率相对低一点，工作带宽小，可进行晶圆级测试。一个很自然的想法，是否存在某种结构，可以同时具备这两种耦合器的优点？日本的一个研究小组给出了一个不错的解决方案。

该垂直耦合器的结构如下图所示。在端面耦合器出光口处，通过一定的微加工技术，形成一个45°曲面反射镜，将光的传播方向由水平方向转变为竖直方向，进而耦合到竖直方向的光纤中，进行wafer-level的器件测试。微曲面反射镜还可以起到对光束聚焦、整形的功能。

（图片来自文献1）

通过设计反射镜在两个方向的曲率半径，可以满足不同NA光纤耦合的需求，耦合损耗的理论值都小于-0.4dB，计算结果如下，

（图片来自文献1）

微型曲面反射镜的加工流程如下图所示。首先在端面耦合器出口处刻蚀出一块区域，然后在该区域旋涂(spin-coating)光敏材料polyimide。接着，进行灰色调光刻(gray-stone lithography)，形成3维曲面结构。所谓灰色调光刻，是指不同位置处的曝光量不相同，从而形成刻蚀深度变化的微结构。沉积一层金属，形成微曲面反射镜。最后，在反射镜以外的区域填充树脂(resin)，进一步保护它。

（图片来自文献1）

实验中，他们测得的TM模耦合效率约为-3.2dB, 与理论值相差比较大。主要的原因是实际加工出的曲面不够理想，导致光场的模斑变形和不匹配。另外，因为TE模在端面耦合器处光斑已经泄露到衬底中，因为该垂直耦合器对偏振敏感，目前只针对TM模式工作。

该小组之前还尝试过另外一种类似的反射镜结构，如下图所示。实验测得的TE模耦合损耗为0.85dB, TM模的耦合损耗为0.55dB。

（图片来自文献2）

但是该耦合器还是必须放置在die的边缘，通过dicing的方式形成斜面(45°角的划切刀)，如下图所示。切割完毕后，还需要进行抛光，以降低斜面的粗糙度。

（图片来自文献3）

相比较而言，第一种垂直耦合器的耦合效率目前不是很高，但是其工艺流程都是标准的制程，制作简单，因而可以用于大规模生产。并且，耦合器的位置不受限制，可以在芯片中的任意位置。该耦合器的工作带宽也比较大。相信随着工艺的优化，其耦合效率可进一步提高。

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. Noriki, et.al., "45-degree curved micro-mirror for vertical optical I/O of silicon photonics chip ", Opt. Exp. 27, 19749(2019)
2. A. Noriki, et.al., "Mirror-based polarization-insensitive broadband vertical optical coupling for Si waveguide".
3. A. Noriki, et.al., "Broadband and Polarization-Independent Efficient Vertical Optical Coupling With 45° Mirror for Optical I/O of Si Photonics", J. Lightwave Technol. 34, 3012 (2016).