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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)，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(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)。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(zhǔn)公差以及無需表面拋光等優(yōu)點(diǎn)，從而實現(xiàn)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(yīng)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(zhǔn)所占據(jù)更多的空間。現(xiàn)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(shè)計光柵結(jié)構(gòu)。例如，圖1（a）中的結(jié)構(gòu)采用階梯型光柵[2]來實現(xiàn)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(shè)計優(yōu)化出最佳參數(shù)，從而產(chǎn)生獨(dú)特的光柵結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示[3]，這些逆向設(shè)計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強(qiáng)耦合效率性能，但也面臨制造的復(fù)雜性及容差等問題。
圖1 不同類型的垂直光柵耦合器結(jié)構(gòu)。（a）階梯型光柵；（b）逆向設(shè)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(jié)構(gòu)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(hù)光柵，還可以幫助控制入射光的角度。當(dāng)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(shù)包括蝕刻寬度和光柵周期，以增強(qiáng)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(xiàn)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(jìn)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3 微透鏡輔助的垂直光柵耦合器的參數(shù)示意圖圖4顯示了仿真結(jié)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(zhuǎn)，并以適當(dāng)?shù)娜肷浣邱詈系焦鈻胖小D4（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(jié)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(dá)±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(dāng)制作的微透鏡的高度偏差達(dá)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(jié)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(jié)構(gòu)耦合效率的數(shù)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(shè)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(zhǔn)。與現(xiàn)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(shè)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(jié)合。這些優(yōu)勢使納米結(jié)構(gòu)成為高性能光學(xué)檢測、光學(xué)成像、實時生化傳感等領(lǐng)域的有希望的候選者。
對于上述結(jié)構(gòu)的仿真流程，可以參考Ansys官網(wǎng)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(guān)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(jìn)行尺寸參數(shù)設(shè)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(jié)果導(dǎo)出到.zbf文件中。步驟2：使用Zemax進(jìn)行宏觀設(shè)計
將步驟1中的.zbf文件導(dǎo)入OpticStudio，并使用光束屬性將光進(jìn)一步傳播到光學(xué)系統(tǒng)中。步驟3：使用Zemax進(jìn)行宏觀逆向系統(tǒng)設(shè)計
在此步驟中，開始設(shè)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(jié)構(gòu)逆向系統(tǒng)設(shè)計
此步驟將利用Zemax中POP計算出的場數(shù)據(jù)導(dǎo)入Lumerical中，計算系統(tǒng)的耦合效率。
參考文獻(xiàn)：
[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.