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社区首页 >专栏 >基于45°微曲面反射镜的垂直耦合器

基于45°微曲面反射镜的垂直耦合器

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光学小豆芽
发布2020-08-13 10:38:32
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发布2020-08-13 10:38:32
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文章被收录于专栏:硅光技术分享

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).
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原始发表:2019-07-06,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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