本期文章將介紹一種基于X-cut絕緣體上鈮酸鋰（LNOI）的光柵耦合器結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)所采用的逆向設(shè)計(jì)方法是基于梯度伴隨優(yōu)化方法，具有優(yōu)化自由度大，時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。此外，該光柵耦合器無需底層金屬反射層，只需一步刻蝕就可實(shí)現(xiàn)高性能的光柵耦合器，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其耦合效率高達(dá)-3.3dB，3dB帶寬能達(dá)到90nm。鈮酸鋰（LN）是一種多功能的電介質(zhì)晶體，擁有電光、非線性光學(xué)、聲光、鐵電、壓電、光折變和光致發(fā)光等卓越物理特性，如圖1所示[2]，其在電信、頻率轉(zhuǎn)換、光存儲(chǔ)、濾波和量子光學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。通過“智能切片（smart cut）”技術(shù)制備的薄膜鈮酸鋰層經(jīng)過退火處理后不僅保持了體塊鈮酸鋰晶體的單晶結(jié)構(gòu)，同時(shí)還具有極好的非線性光學(xué)性質(zhì)，通過二次退火和化學(xué)機(jī)械拋光等處理，可以消除離子注入引起的晶格損傷并改善表面粗糙度，從而得到厚度合適的高性能晶圓級(jí)絕緣層上薄膜鈮酸鋰（LNOI）。
圖1 集成光學(xué)中幾種常見材料的主要屬性[2]一系列高性能的LNOI集成光學(xué)器件已經(jīng)被開發(fā)出來，如可調(diào)諧頻率梳、高頻低壓電光調(diào)制器等。然而，對(duì)于所有LNOI器件，在與片外光源和檢測(cè)器的光纖耦合中存在關(guān)鍵問題，與厚膜和大塊材料不同，LNOI波導(dǎo)和單模光纖之間的高效率耦合相對(duì)困難，因?yàn)椴▽?dǎo)模式和光纖模式之間的失配是明顯的。本期文章將介紹一種平衡了耦合效率和耦合帶寬的X-cut LNOI光柵耦合器，該器件的優(yōu)化采用基于梯度伴隨方法的逆向設(shè)計(jì)，該方法不僅節(jié)約時(shí)間，還具有更多的自由度優(yōu)化。
該光柵耦合器設(shè)計(jì)在400nm X-cut LNOI平臺(tái)上，在平臺(tái)下埋有3μm厚的SiO2層。光柵耦合器示意圖如圖2所示，光柵數(shù)量設(shè)置為20個(gè)，足以覆蓋整個(gè)單模光纖的光斑尺寸，圖2（c）為光柵波導(dǎo)模式到光纖模式耦合時(shí)的光場(chǎng)圖。
圖2 LNOI上的光柵耦合器。（a）結(jié)構(gòu)示意圖;（b）截面圖;（c）光場(chǎng)圖
基于梯度的逆向設(shè)計(jì)方法不依賴于參數(shù)掃描或隨機(jī)擾動(dòng)來尋找最小值，同時(shí)使用伴隨方法分別從正向和逆向伴隨仿真中獲得場(chǎng)分布，以計(jì)算場(chǎng)分布相對(duì)于結(jié)構(gòu)向量的梯度，這比遺傳算法或粒子群優(yōu)化算法需要更少的模擬時(shí)間。
該器件的設(shè)計(jì)流程如圖3所示。在優(yōu)化中，由于光柵結(jié)構(gòu)的特殊性，選擇直接采用離散參數(shù)矢量A=[a1,b1；a2,b2；…；an,bn]，其對(duì)應(yīng)于包層外部的SiO2和光纖，以及包層內(nèi)的鈮酸鋰，其中ai，bi（i=1，2，...，n）是i階光柵的未蝕刻和蝕刻區(qū)域的長(zhǎng)度，并且應(yīng)用特征尺寸約束（ai≥100nm，bi≥0）以便于實(shí)際制造和處理。在仿真中，根據(jù)制造將側(cè)壁楔角設(shè)置為60°。同時(shí)，引入輔助矢量B=[θ，he]，其中θ為光纖的入射角，he為刻蝕深度，以優(yōu)化光纖的入射角和刻蝕深度，獲得較大的耦合效率。此外，為了平衡耦合效率與帶寬之間的關(guān)系，將目標(biāo)函數(shù)調(diào)整為等間隔波長(zhǎng)處的平均耦合效率，采用L-BFGS-B算法進(jìn)行迭代直到最優(yōu)收斂。
在優(yōu)化過程中，以中心波長(zhǎng)1550nm以及3dB帶寬分別為40nm、60nm、80nm和100nm為目標(biāo)，此外，波長(zhǎng)間隔為10nm，入射光纖芯徑為9μm，包層直徑為125μm的單模光纖。由于三維光柵耦合器優(yōu)化計(jì)算量大的問題，采用時(shí)域有限差分法（FDTD）進(jìn)行二維仿真，優(yōu)化迭代次數(shù)設(shè)置為150次。對(duì)于3 dB帶寬為40nm的光柵耦合器，其最佳光纖角度約為2.5°，刻蝕深度約為280 nm。為了統(tǒng)一后續(xù)工藝和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)于其他帶寬優(yōu)化，入射角和蝕刻深度是恒定的。
為了進(jìn)一步說明結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用3D-FDTD對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，考慮了兩種結(jié)構(gòu)：矩形光柵和曲面光柵，如圖4（a）所示。其中圖4（b）和圖4（c）分別表示兩種結(jié)構(gòu)的光柵耦合器的耦合效率。
圖4 （a）兩種光柵耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）曲面光柵的耦合效率
光柵耦合器中鈮酸鋰薄膜的厚度為400nm。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）的圖像如圖5所示。在制備過程中只有一次電子曝光和一次蝕刻步驟，正性光致抗蝕劑（ZEP 520A）通過50keV電子束光刻（EBL）圖案化并使用乙酸戊酯顯影，使用低壓氬等離子體通過ICP-RIE蝕刻將圖案轉(zhuǎn)移到LN薄膜中。最后，使用通過PECVD沉積的SiO2作為上包層。（b）直波導(dǎo)橫截面,（c）光柵局部放大,（d）光柵耦合器的SEM圖
測(cè)量的TE模式的結(jié)果如圖6所示。仿真和測(cè)量結(jié)果之間存在一些差異，這可能歸因于制造過程中不可避免的制造誤差。在1550nm波長(zhǎng)處，TE偏振的最大耦合效率可達(dá)-3.3dB，3dB帶寬為78nm，與仿真結(jié)果相比，效率略有下降，帶寬有所增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，優(yōu)化后的光柵具有更大的帶寬。最大耦合效率仍為-3.9dB，3dB帶寬為90nm。圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。（a）耦合效率；（b）帶寬
[1]He,X.,Sun,D.,Chen,J.,&Shi,Y.(2024).yInverse designed grating coupler with low loss and high bandwidth on LNOI platform. IEEE Photonics Journal.
[2]鄧?yán)?et al."薄膜鈮酸鋰微納結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)研究進(jìn)展(特邀)."Laser& Optoelectronics Progress 61.11 (2024): 1116011.
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