本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第一期。首先對端面耦合器進行背景介紹，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡述。基于絕緣體上硅（SOI）結構的集成光學芯片是目前光通信領域的研究重點，得益于其與互補金屬氧化物半導體（CMOS）制作工藝兼容。然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標準的單模光纖的模場面積大約在70μm2，而波導的模場有效面積通常小于1μm2，在耦合過程中會產生極大的模場失配，進而產生較大的插入損耗。因此，有效的光纖芯片耦合是提高整個系統(tǒng)性能的重要因素，其中主要涉及的元件就是耦合器。光纖到芯片的耦合主要分為兩種方式，即垂直耦合和端面耦合。垂直耦合多采用光柵耦合器，光纖垂直或略微傾斜一定角度放置在器件上方，以保證較高耦合效率。但是光柵耦合器的耦合效率通常低于3dB，并且?guī)捿^窄，波長靈敏度較高。而端面耦合器通常放置在晶圓端面，能實現(xiàn)較高的耦合效率、較大的帶寬以及偏振無關性。
圖1光纖與光子芯片互連原理圖。
端面耦合器最常用的結構是倒錐形，即在沿光的傳播方向，采用寬度逐漸增大的錐形波導，其中錐形的窄端靠近光纖，而寬端則與光波導相連。倒錐窄端的橫截面積小于期望的模態(tài)尺寸，無法完全限制入射模，相當大比例的電磁場分布在錐尖周圍。當錐形寬度變大時，它可以支持整個模式，并將電磁場整體限制在錐形內部?？偟膩碚f，基于其窄尖端對準光纖芯的倒錐形的端面耦合器可以將從光纖入射的大模場的模式轉換為光子波導中壓縮的導模。
在評估端面耦合器的性能時，有一些通用的度量參數，包括耦合效率（或耦合損耗）、器件尺寸、工作帶寬、制造容差和未對準容差。
耦合效率：是指端面耦合器內部光傳輸和模式轉換之后的輸出功率與輸入功率的比率。實現(xiàn)高耦合效率是設計光耦合器的主要目標。端面耦合器的耦合效率可以簡化為多個因素的乘積，起主要作用的是重疊積分部分，可表示為下式：
其中，E1和E2分別為光纖模式電場的復振幅和硅波導端面模式電場的復振幅，A表示模場面積。器件尺寸：考慮到集成密度、制造可行性和封裝難度，器件尺寸是定義端面耦合器優(yōu)點的另一個重要參數。由于端面耦合器通常由縱向形狀的錐形組成，因此實現(xiàn)緊湊的端面耦合器的主要思想是減小器件長度。工作帶寬：端面耦合器具有大工作帶寬的固有優(yōu)勢，因為它基于光的傳播特性而不是光柵耦合器中光的衍射效應工作。大工作帶寬意味著端面耦合器可以在寬的波長范圍內高效穩(wěn)定地工作，對波長波動不敏感。容差：由于結構對稱性和簡單性，基于單個錐形的端面耦合器易于制造且簡單，并且具有良好的制造偏差容限和未對準容限。
線性錐形耦合器的主要優(yōu)點是其結構簡單和易于制造，而這種結構簡單也導致尺寸極大和耦合效率有限，特別是對于與具有大光斑尺寸光纖的光耦合。在此背景下，非線形倒錐形結構得到廣泛研究，常見變換包括多截面錐形、拋物線錐形或二次錐形以及指數錐形，分別如圖2（b）-（d）所示。
圖2倒錐形類型。
（a）線性型；（b）多截面型；
多尖端錐形被廣泛用于提高模式重疊效率，其結構如圖3（a）所示。該結構由多個尖端組成的錐面，可形成疊加模式，從而增大模場直徑，能更好與光纖模式進行匹配。此外，使用多個尖端可以提高設計自由度，使得小尺寸就能實現(xiàn)較大耦合效率。而多錐形端面耦合器效果與多尖端錐形類似，其結構如圖3（b）所示。
圖3（a）多尖端錐形端面耦合器；
基于亞波長光柵的端面耦合器結構如圖4所示。亞波長光柵的有效折射率由尖端寬度、間距以及占空比綜合決定，因此，可以通過對該結構進行合理設計，使其有效折射率最大程度上與光纖模式匹配，進而提高耦合效率。
圖4基于亞波長光柵的端面耦合器
圖5是在倒錐形上方放置多個波導以獲得較大模態(tài)面積的方法。上方波導通常由折射率低于硅的材料制成，如氮化硅和氮氧化硅。下方的倒錐形波導與上方輔助波導支持疊加模式，使得模式區(qū)域變大并于光纖纖芯的模式區(qū)域相當，有助于更高效與光纖發(fā)出的光進行耦合。可以通過改變輔助波導的數量、材料折射率和方向來控制最終的模場分布。基于多錐形的端面耦合器不同層的多個單向錐形組成，其截面由不同層的錐形合并，具有較大的橫截面積，能更好實現(xiàn)端面耦合。其中最頂層的錐形長度最短，最底層最長，這樣設計是使上層的光依次傳到最底層?；谄渥畹讓优c硅波導連接的類型可分為兩種類型，第一種是每層錐形波導同向級聯(lián)，如圖6（a）所示；第二種是最底層為倒錐形結構，以實現(xiàn)模式轉換，如圖6（b）所示。
圖6兩種多錐形級聯(lián)。
基于折射率匹配包層的端面耦合器的結構如圖7所示，與SiO2包層下的Si層不同，它通常使用SiN，SiON和聚合物等其他類型的材料來設計光纖纖芯和硅波導的折射率，當匹配包層的折射率接近光纖纖芯的折射率時可以減少失配。
圖7基于折射率匹配包層的端面耦合器
典型的錐形僅在縱向和橫向尺寸上具有錐形輪廓，而錐形的厚度保持恒定。然而，可以通過三維錐形來傳輸來自光纖的光，如圖8所示。三維錐形以其寬端對準光纖，其在結構尺寸方面與光纖芯相當。然后，它開始在垂直和水平維度上逐漸變細，以與硅波導連接。通常，三維錐體可以分為兩種主要類型：一種是純硅基3D錐體，另一種是其他類型中間材料輔助的3D錐體。圖9中展示了基于懸臂梁結構的端面耦合器示意圖。在倒錐形硅結構的基礎上，將BOX層及其下的襯底部分切至一定厚度，露出一個包覆SiO2的錐形懸臂梁硅結構，將光纖放置在蝕刻槽中，并與懸臂梁結構的切割面對齊。總的來說，這種基于懸臂梁結構的端面耦合器以較長尺寸為代價實現(xiàn)了良好的耦合性能。硅光子集成電路中的光互連是實現(xiàn)高效數據傳輸的關鍵問題。光纖到芯片光互連的兩種主流范式，即垂直耦合和端面耦合，具有不同的特點，而端面耦合擁有更高的耦合效率、更寬的工作帶寬、對偏振狀態(tài)的依賴性更低等。本文首先介紹了端面耦合器的研究背景和應用，闡述了其工作機理，并總結了其性能指標。此外，還對端面耦合器在水平和垂直方向上的結構變化進行了分類和簡單描述。下一期文章我們將針對具體的端面耦合器案例進行分析。參考文獻：
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