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背面入射的光栅耦合器

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光学小豆芽
发布2021-03-15 14:58:44
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发布2021-03-15 14:58:44
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文章被收录于专栏:硅光技术分享

这篇笔记分享一篇光栅耦合器的最新进展,IMEC与Ghent大学的研究小组在硅光芯片背面加工出微透镜(microlens), 将光场的MFD提高到32um, 其1dB的对准容差可以提高到±7um,为硅光芯片的无源对准提供了新的思路。原文发表于Opt. Exp,文章链接为https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-5-7601&id=448580。

将光束的MFD提高,可以降低横向的对准精度要求,如下图所示,

(图片来自文献1)

以1310nm波长为例,当MFD与单模光纤的MFD匹配时,其1dB的耦合容差是±2.5um, 而MFD提高到32um时,1dB的耦合容差提高到±7um。尽管角度方向的容差有所降低,但是仍然在可控的范围内。

当光从光栅耦合器衍射到硅衬底后,其在硅衬底中自由传播时,光斑尺寸变大。接着通过微透镜对光束进行准直,最终入射到大MFD的光纤中,如下图所示。图中的TEC fiber表示thermally expanded-core(TEC) fiber。TEC光纤技术已经比较成熟,通过加热的方式使得光纤芯层变大,光场模式仍为单模,但MFD大大提高。

(图片来自文献1)

从上图中可以看出,系统中比较关键的几个参数有:

1) 初始MFD, W_start

2) 硅衬底的厚度 t_Si

3) 光在衬底中传播的角度 theta_Si

4) 透镜中心的偏移 O_L

5) 透镜的曲率半径 R_L

6) 出射光的MFD, W_fiber

通过一定的计算,可以得到,为了实现MFD=32um的光束,硅衬底的厚度要求是600um, 微透镜的半径为440um。

在芯片背面加工微透镜,其加工流程如下图所示,

(图片来自文献1)

首先将硅光芯片的衬底减薄到600um,在芯片正面涂覆光刻胶用于保护,在芯片背面涂覆光刻胶用于后续的透镜加工。接着进行光刻,必须保证正面和背面图案的对准精度达到1um以上。对剩余的光刻胶进行回流和烘烤,形成微透镜形状的光刻胶。接着进行RIE刻蚀,得到硅的微透镜。最后清洗掉正面的光刻胶。

研究人员对比了几种不同情况下光栅的耦合效率

1)未采用微透镜时,正面和背面入射的光栅单端耦合损耗相差3.75dB,如下图所示,

(图片来自文献1)

从背面入射损耗较大的原因是,光在SiO2/Si界面处存在较强的反射。此时硅衬底厚度为100um。

2)引入微透镜后,不同情况下的耦合损耗如下图所示,

(图片来自文献1)

可以看出,正面入射和使用微透镜从背面入射,两种情况下的耦合损耗相差3.25dB。此时硅衬底的厚度为580um。

3)使用抗反射膜前后的耦合损耗对比, 如下图所示,

(图片来自文献1)

通过增加AR膜,减小Si/空气界面的反射,单端的耦合效率可以提高1dB。由于采用了微透镜进行准直,TEC光纤距离芯片背面的距离可以大大提高,实验中距离400um,耦合损耗只变化了1dB,如下图所示,

(图片来自文献1)

通过在光栅处增加金属反射层,提高微透镜的对准精度,采用apodized型光栅设计,系统的耦合损耗理论上可提高至-2dB

采用背面入射/出射的光栅耦合器,一方面可以通过增大光束的MFD, 提高耦合的对准容差,便于采用无源对准的方式,节省时间,便于量产,另一方面在CPO(共封装光学(co-packaged optics)简介)技术中,电芯片将会堆叠在光芯片上表面,这会对正面入射的光栅耦合封装带来很大的挑战,而从芯片背面做文章,则可以较好地回避该问题。从加工的角度看,涉及到的工艺都比较成熟,难点是保证正面和背面mask的对准精度。此外,系统的耦合效率目前实验值不是很高,有待进一步优化。

参考文献:

1. N. Mangal, et.al., "Monolithic integration of microlenses on the

backside of a silicon photonics chip for expanded beam coupling", Opt. Exp. 29, 7601(2021)

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原始发表:2021-03-08,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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