本期是Lumerical系列中無源器件專題-端面耦合器第二期。本期主要基于一種十字型異質(zhì)多芯波導的端面耦合器進行詳盡分析，并通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，對波導的寬度和波導之間的距離以及劈尖波導的長度和相對位置進行優(yōu)化，最終實現(xiàn)了與高數(shù)值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。隨著光芯片制造工藝中套刻技術(shù)的發(fā)展和三維波導制造工藝的不斷完善，多層波導的制造工藝需求逐步被滿足，目前越來越多的研究聚焦于高折射率、小截面尺寸的波導。其中Si3N4在光通信波段具有透明窗口和低溫度敏感性，且工藝與CMOS高度兼容，其在硅光體系中得到了廣泛的應用。Si3N4薄膜的沉積工藝和刻蝕工藝十分成熟，其折射率略大于SiO2和SiON，它對光場的約束能力介于Si波導和SiO2包層之間，因此成為基于高折射率、小截面尺寸波導的端面耦合器設計中最具潛力的材料之一。2021年，Sun[1]等提出了采用5根Si3N4波導的端面耦合器結(jié)構(gòu)，其與模場直徑為8.2 μm的光纖的耦合損耗達0.44 dB。傳統(tǒng)SOI波導一般位于芯片波導區(qū)的最底層，而在其設計中，底層的Si3N4波導低于SOI波導，使得制備難度很大。2022年，Liang等[2]采用對SiO2包層進行高折射率摻雜以及對SiO2包層進行深刻蝕的設計方式，實現(xiàn)了與標準單模光纖之間的耦合，耦合損耗同樣低于1 dB。2023年，Yu[3]和He[4]等人僅用1層Si3N4波導且不對SiO2包層進行高折射率摻雜和深刻蝕的端面耦合器，分別在鈮酸鋰波導體系和三五族波導體系中完成了光纖耦合，其耦合損耗分別達到了0.75 dB和1.175 dB。而本期文章我們要分析的是一種基于十字型Si3N4波導的異質(zhì)多芯SOI波導端面耦合器[5]，實現(xiàn)了與高數(shù)值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。基于十字型波導的端面耦合器的整體結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，包括十字型波導結(jié)構(gòu)和絕熱演變型定向耦合結(jié)構(gòu)。圖1（b）是十字型波導的橫截面圖，相較于傳統(tǒng)的矩形波導結(jié)構(gòu)，該設計涉及額外的2層Si3N4沉積和刻蝕工序。在十字結(jié)構(gòu)中，上層1根和中間3根波導都為Si3N4波導，底層1根波導為Si波導。此異質(zhì)多芯波導端面耦合器得益于底層為硅波導的設計方式，簡化了制造流程，降低了制造成本。從左到右看，光場先通過Si-Si3N4絕熱劈尖，從Si波導耦合到單根Si3N4波導，再由Si3N4-十字波導劈尖轉(zhuǎn)移至十字型波導端面，并與光纖耦合，圖1（c）展示了十字型異質(zhì)多芯波導的模場分布。
圖1 （a）十字型波導耦合器的整體結(jié)構(gòu)圖；（b）十字型異質(zhì)多芯波導的截面圖；（c）十字型異質(zhì)多芯波導的模場分布圖
1. 十字型Si3N4波導的設計
選定Si3N4的厚度為300 nm，側(cè)壁傾斜角度為80°。通過Ansys Lumerical MODE模塊中的EME Solver進行參數(shù)掃描，可得十字型波導與高數(shù)值孔徑光纖的光場之間的模場匹配度與d、w的關(guān)系如圖2所示，圖2（a）和圖2（b）分別表示TE模和TM模的模場匹配度，其中d表示波導與中心波導的中心距，而w表示Si3N4波導的寬度。通過選擇合適的d和w的值以實現(xiàn)最優(yōu)耦合效率。圖2 十字型波導與HNAF光纖的模場匹配度。（a）TE模；（b）TM模
將十字型波導中的Si3N4波導的尺寸參數(shù)設置為第一步分析得到的最優(yōu)值。用第一步掃描的方法可得十字型波導與高數(shù)值孔徑光纖的模場匹配度與dSi和wSi的關(guān)系如圖3所示，其中dSi表示底層Si波導與中心Si3N4波導的距離，而wSi表示Si波導的寬度。當半刻蝕Si波導的厚度設定為70 nm時，其與光纖的模場匹配度如圖3（a）、（b）所示，而當Si波導的厚度設定為150 nm時，其與光纖的模場匹配度如圖3（c）、（d）所示。由圖分析可知150 nm厚度的半刻蝕Si波導更適合本端面耦合器的設計，同時，還需選擇合適的dSi和wSi以實現(xiàn)最優(yōu)耦合效率。圖3 十字型波導TE模和TM模與光纖的模場匹配度。（a）和（b）為使用70 nm厚Si波導；（c）和（d）為使用150 nm厚Si波導
絕熱型定向耦合器能夠進行倏逝波定向耦合的條件為：當上下波導組合成的系統(tǒng)的有效折射率大于兩個單波導的有效折射率時，模場可以從一個波導耦合到另一個波導中。因此，通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver仿真了絕熱型定向耦合器的有效折射率與構(gòu)成定向耦合器的上下波導（下端波導為Si劈尖波導，上端波導為Si3N4劈尖波導）的有效折射率的差值，通過分析比較二者的折射率差值大小來確定絕熱型定向耦合器2根劈尖波導的形狀，以達到最優(yōu)的模斑轉(zhuǎn)換效率。圖4展示了在不同Si波導、Si3N4波導寬度下，兩波導組合結(jié)構(gòu)的有效折射率與單個波導的有效折射率的相對差值，差值越大說明 光場的耦合越強。圖4 雙波導有效折射率與單波導有效折射率的相對差隨波導寬度的變化。（a）TE模；（b）TM模
在確定劈尖波導的寬度后，還需對劈尖波導的長度進行掃描，包括絕熱劈尖長度和Si3N4-十字波導劈尖長度。這部分同樣可使用Ansys Lumerical MODE模塊中的EME Solver進行掃描，可得這兩部分長度分別對模場轉(zhuǎn)換效率的影響，分別如圖5（a）和圖5（b）所示。圖5（a）絕熱劈尖長度對模場轉(zhuǎn)換效率的影響；（b）Si3N4-十字波導劈尖長度對模場轉(zhuǎn)換效率的影響本篇文章主要是通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，完成了對器件結(jié)構(gòu)的設計。圖6所示的仿真結(jié)果展示了SOI條形直波導與高數(shù)值孔徑光纖（模場直徑為4.0 μm）之間的模場轉(zhuǎn)換情況。圖6（a）展示了在1550 nm波長處所設計的端面耦合器在不同橫截面處的光場分布，從圖中可以看出，光場在I~III區(qū)域通過絕熱劈尖實現(xiàn)了從下端Si劈尖波導到中心Si3N4劈尖波導的轉(zhuǎn)移，光場在IV~V區(qū)域通過Si3N4錐形波導實現(xiàn)了從中心Si3N4波導到十字型波導結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移，模斑尺寸逐漸變大，直至在端面處與光纖完成對接。圖6（b）是光場在耦合器內(nèi)傳輸?shù)钠拭鎴D。通過EME Solver仿真得到在1550 nm 處端面耦合器的耦合效率為97.1%（TE模式）、97.5%（TM模式）。
圖6 光場在模斑轉(zhuǎn)換器中的傳輸情況。（a）對應橫截面的模場分布；（b）光場分布的俯視圖
除性能結(jié)果外，該器件在工藝上也具有一定優(yōu)勢，其不需對SiO2包層進行深刻蝕、不涉及包層摻雜的高耦合效率Si3N4-半刻蝕Si十字型異質(zhì)多芯波導端面耦合器結(jié)構(gòu)，其制造過程相較于傳統(tǒng)SOI芯片制造僅增加了兩層Si3N4波導的制造，除了兩層Si3N4波導的層間距離不適用于多項目晶圓（MPW）之外，其他工藝均可以通過MPW實現(xiàn)。
參考文獻：
[1] Sun S, Chen Y, Sun Y, et al. Novel low-loss fiber-chip edge coupler for coupling standard single mode fibers to silicon photonic wire waveguides[C]//Photonics. Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 2021, 8(3): 79.
[2] Liang Y, Li Z, Fan S, et al. Ultra-low loss SiN edge coupler interfacing with a single-mode fiber[J]. Optics Letters, 2022, 47(18): 4786-4789.
[3] Yu Z, Yin Y, Huang X, et al. Silicon nitride assisted tri-layer edge coupler on lithium niobate-on-insulator platform[J]. Optics Letters, 2023, 48(13): 3367-3370.
[4] He A, Cui Y, Xiang J, et al. Ultra‐Low Loss SiN Edge Coupler for III‐V/SiN Hybrid Integration[J]. Laser &?Photonics Reviews, 2023, 17(10): 2300100.
[5] 張立桀, 范艷晶, 胡晶晶, 等. 基于十字型異質(zhì)多芯波導的硅光端面耦合器[J]. Acta Optica Sinica, 2024, 44(19): 1913001-1913001-8.
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