背面入射的光栅耦合器

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)