本期文章將介紹一種集成微透鏡輔助光柵耦合器（ML-VGC）的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率[1]。利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個標準的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰(zhàn)。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優(yōu)點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統(tǒng)的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統(tǒng)光柵耦合器由于角度對準所占據更多的空間。現有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵[2]來實現非對稱衍射，打破光柵區(qū)域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設計優(yōu)化出最佳參數，從而產生獨特的光柵結構，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示[3]，這些逆向設計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
圖1 不同類型的垂直光柵耦合器結構。（a）階梯型光柵；（b）逆向設計型光柵
本期文章要介紹的是一種微透鏡輔助的垂直光柵耦合器，其結構如圖2所示。該器件是由SOI切趾的光柵耦合器，SiO2包層和柱面微透鏡組成。其中，SiO2包層不僅可以保護光柵，還可以幫助控制入射光的角度。當光垂直入射時，會在微透鏡和包層面發(fā)生兩次折射，其滿足斯涅爾定律。
需要優(yōu)化的參數包括蝕刻寬度和光柵周期，以增強光纖和光柵之間的模式匹配。如圖3所示，光柵被分成兩個區(qū)域：變周期區(qū)域和均勻周期區(qū)域。在可變周期區(qū)域中，80nm的初始蝕刻寬度w0由制造可實現的最小線寬確定，并且蝕刻寬度隨著每個后續(xù)循環(huán)增加100nm。均勻周期區(qū)域中的蝕刻寬度保持恒定，與可變周期區(qū)域中的最終周期的寬度相匹配。而對于微透鏡成像系統(tǒng)，可通過粒子群優(yōu)化（PSO）進行優(yōu)化，包括微透鏡的長度Dl、高度h以及微透鏡的中心與變跡光柵的中心之間的距離lx。
圖4顯示了仿真結果，優(yōu)化后ML-VGC的電場如圖4（a）所示。很明顯，垂直入射光在通過透鏡后發(fā)生偏轉，并以適當的入射角耦合到光柵中。圖4（b）比較了裸光柵耦合器、SiO2覆蓋的光柵耦合器以及ML-VGC的耦合效率。結果顯示，裸光柵耦合器在1550nm處的峰值耦合效率為?5.78dB；而SiO2覆蓋的光柵耦合器中心波長偏移至1560nm；通過微透鏡輔助角度控制的ML-VGC的性能提高到-3.06dB。此外，圖4（c）和圖4（d）展示了透鏡位置偏差和高度偏差對耦合效率的影響。對于高達±500nm的位置誤差，耦合器的中心波長偏移約±2.5nm，CE波動小于0.3dB；當制作的微透鏡的高度偏差達到±500nm時，耦合器的中心波長漂移約±5nm，CE起伏小于0.1dB。仿真結果表明，ML-VGC在對制造誤差具有較高容限的同時，有效地提高了耦合性能。
（b）不同結構耦合效率的數值比較；
（c）微透鏡位置誤差對耦合效率的影響；
（d）微透鏡高度誤差對耦合效率的影響
本文介紹了一種微透鏡輔助光柵耦合器的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率。微透鏡通過熱回流工藝制造，集成到淺蝕刻切趾光柵耦合器上。通過操縱垂直入射光的透射角，微透鏡有效地將入射角與下面的光柵的耦合角對準。與現有的垂直光柵耦合器相比，這是一種提高耦合效率更通用的方法，將設計和制造的簡單性與使用納米壓印光刻的大規(guī)模集成的兼容性相結合。這些優(yōu)勢使納米結構成為高性能光學檢測、光學成像、實時生化傳感等領域的有希望的候選者。
對于上述結構的仿真流程，可以參考Ansys官網中的案例文章《Integrated microlens and grating coupler for photonic integrated circuits》。其大致流程以及所需使用的仿真軟件如圖5所示。相關鏈接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/21008392675347-Integrated-microlens-and-grating-coupler-for-photonic-integrated-circuits步驟1：使用Lumerical進行尺寸參數設計
使用Ansys Lumerical中的FDTD求解器計算光柵輸出端的電場。然后將結果導出到.zbf文件中。步驟2：使用Zemax進行宏觀設計
將步驟1中的.zbf文件導入OpticStudio，并使用光束屬性將光進一步傳播到光學系統(tǒng)中。步驟3：使用Zemax進行宏觀逆向系統(tǒng)設計
在此步驟中，開始設計系統(tǒng)，考慮光從光纖通過微透鏡傳播到光柵耦合器。步驟4：使用Lumerical的微結構逆向系統(tǒng)設計
此步驟將利用Zemax中POP計算出的場數據導入Lumerical中，計算系統(tǒng)的耦合效率。
參考文獻：
[1] Lei, Lei, et al. "Integrated microlens-assisted perfectly vertical grating coupler for enhanced coupling efficiency."?Optics Express?32.26 (2024): 45851-45859.
[2] Asaduzzaman, Md, et al. "Vertical Injection and Wideband Grating Coupler Based on Asymmetric Grating Trenches."?arxiv preprint arxiv:2110.14085?(2021).
[3] Yoon, J., Kim, J. Y., Kim, J., Yoon, H., Ne?eli, B., Park, H. H., & Kurt, H. (2023). Inverse design of a Si-based high-performance vertical-emitting meta-grating coupler on a 220 nm silicon-on-insulator platform.?Photonics Research,?11(6), 897-905.