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化，最終實現了與高數值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。

背景介紹

隨著光芯片制造工藝中套刻技術的發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  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。  薄膜的沉積工藝和刻蝕工藝十分成熟，其折射率略大于  和SiON，它對光場的約束能力介于Si波導和  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  等提出了采用5根  波導的端面耦合器結構，其與模場直徑為8.2 μm的光纖的耦合損耗達0.44 dB。傳統SOI波導一般位于芯片波導區的最底層，而在其設計中，底層的  波導低于SOI波導，使得制備難度很大。2022年，Liang等  采用對  包層進行高折射率摻雜以及對  包層進行深刻蝕的設計方式，實現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  和He  等人僅用1層  波導且不對  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  波導的異質多芯SOI波導端面耦合器  ，實現了與高數值孔徑光纖（HNAF）的高效率耦合。

結構設計

基于十字型波導的端面耦合器的整體結構如圖1（a）所示，包括十字型波導結構和絕熱演變型定向耦合結構。圖1（b）是十字型波導的橫截面圖，相較于傳統的矩形波導結構，該設計涉及額外的2層  沉積和刻蝕工序。在十字結構中，上層1根和中間3根波導都為  波導，底層1根波導為Si波導。此異質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  絕熱劈尖，從Si波導耦合到單根  波導，再由  -十字波導劈尖轉移至十字型波導端面 ，并與光纖耦合，圖1（c）展示了十字型異質多芯波導的模場分布。

圖1 （a）十字型波導耦合器的整體結構圖；（b）十字型異質多芯波導的截面圖；（c）十字型異質多芯波導的模場分布圖

參數優化

1. 十字型波導的設計

選定  的厚度為300 nm，側壁傾斜角度為80°。通過Ansys Lumerical MODE模塊中的EME Solver進行參數掃描，可得十字型波導與高數值孔徑光纖的光場之間的模場匹配度與d、w的關系如圖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  波導的寬度。通過選擇合適的d和w的值以實現最優耦合效率。

圖2 十字型波導與HNAF光纖的模場匹配度。（a）TE模；（b）TM模

2.底層半刻蝕硅波導的設計

將十字型波導中的  波導的尺寸參數設置為第一步分析得到的最優值。用第一步掃描的方法可得十字型波導與高數值孔徑光纖的模場匹配度與  和  的關系如圖3所示，其中  表示底層Si波導與中心  波導的距離，而  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  和  以實現最優耦合效率。

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

3.劈尖波導的設計

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  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，以達到最優的模斑轉換效率。圖4展示了在不同Si波導、  波導寬度下，兩波導組合結構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 -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換效率的影響；（b）Si3N4-十字波導劈尖長度對模場轉換效率的影響

性能分析與總結

本篇文章主要是通過Ansys Lumerical MODE模塊中的FDE Solver 和EME Solver，完成了對器件結構的設計。圖6所示的仿真結果展示了SOI條形直波導與高數值孔徑光纖（模場直徑為4.0 μm）之間的模場轉換情況。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區域通過絕熱劈尖實現了從下端Si劈尖波導到中心  劈尖波導的轉移，光場在IV~V區域通過  錐形波導實現了從中心  波導到十字型波導結構的轉移，模斑尺寸逐漸變大，直至在端面處與光纖完成對接。圖6（b）是光場在耦合器內傳輸的剖面圖。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

除性能結果外，該器件在工藝上也具有一定優勢，其不需對  包層進行深刻蝕、不涉及包層摻雜的高耦合效率  -半刻蝕Si十字型異質多芯波導端面耦合器結構，其制造過程相較于傳統SOI芯片制造僅增加了兩層  波導的制造，除了兩層  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。

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參考文獻：

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