开发一种短波中红外高容差亚波长光栅耦合器
近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授和刘铁根教授课题组，以及深圳大学的王佳琦助理教授、香港中文大学的曾汉奇教授合作研究开发了一种短波中红外高容差亚波长光栅耦合器，成果以“relaxed-tolerance subwavelength grating coupler”为题，2023年1月29日发表在《optics & laser technology》期刊上。
短波中红外光子学在光通信、光测距和光传感等领域具有广泛的应用前景。首先，随着数字化产业的蓬勃发展，通信网络中的数据量持续增长，光通信带宽正逐渐逼近1.55微米波段光纤数据传输的理论极限，2微米波段光通信是一个热门的研究方向；其次，2-2.5微米波段几乎不与水汽分子在1.7-2.0微米和2.4-3.3微米波长的吸收光谱区重叠，为自由空间光通信和激光雷达应用提供了低损耗的大气窗口；并且，2-2.5微米波长的光子能量对应于气体分子的本征振动能级跃迁，为开发用于环境检测、工业安全的光学气体传感器带来了巨大的机遇。
另一方面，由于硅和二氧化硅材料对短波中红外光的吸收较弱，用于开发的传统光通信硅基光子器件的多项目晶圆（multi-project wafer, mpw）工艺，可以方便的转移到短波中红外波段，用于低成本的开发高质量、高密度的硅基光子集成回路。其中，光栅耦合器是光子集成回路中的关键器件之一。过去的研究表明，在短波中红外波段，可以基于mpw工艺开发亚波长光栅结构，提高能量耦合效率。然而，亚波长光栅耦合器对器件的制造误差比较敏感。因此，开发与mpw工艺兼容的、高容差的、亚波长光栅耦合器件是一个有意义的研究课题。
在本项工作中，研究者们研发了一种高容差亚波长光栅耦合器(relaxed-tolerance subwavelength grating coupler, rtswg)，分析了亚波长光栅耦合器的加工制作可重复性。如图1a所示，所研发的耦合器件设计在220 nm顶层硅的硅-绝缘体晶圆上，由周期性排列的孔状结构构成。
在x方向上，每个光栅周期内具有两个亚波长孔结构，用以克服传统亚波长光栅耦合器对制造误差引起的折射率变化的敏感性问题。同时，双孔亚波长结构也可以更加灵活的裁剪光栅耦合器的有效折射，优化光栅耦合器的耦合效率。图1b和1c比较了所设计的高容差亚波长光栅耦合器和普通亚波长光栅耦合器性能对加工制作误差的容忍度。理论结果显示，高容差亚波长光栅耦合器件在中心波长飘移和相对耦合效率等方面均具有一定的提升。
图1.短波中红外高容差亚波长光栅耦合器示意图与仿真结果。(a)高容差亚波长光栅耦合器的示意图；(b) 中心波长偏移随y方向上孔大小变化的曲线。(c) 相对耦合效率随y方向上孔大小变化的曲线。
高容差亚波长光栅耦合器和普通亚波长光栅耦合器的实验测量结果如图2所示。图2a为高容差亚波长光栅耦合器的实验测量与三维时域有限差分（three dimensional finite-difference time-domain method, 3d fdtd）的数值仿真结果。结果可知，高容差亚波长光栅耦合器在中心波长2038 nm处具有-6.2 db的耦合效率以及约30 nm的1 db耦合带宽。
图2b显示了普通亚波长光栅耦合器在中心波长2038 nm处具有-8.7 db的耦合效率以及约40 nm的1 db 耦合带宽。与普通亚波长光栅耦合器相比，高容差亚波长光栅耦合器的性能具有一定的提升，并具有更好的加工可重复性。
图2.高容差亚波长光栅耦合器和普通亚波长光栅耦合器在短波中红外的实验测量和3d fdtd数值仿真结果。(a)高容差亚波长光栅耦合器。(b) 普通亚波长光栅耦合器。
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另一方面，由于硅和二氧化硅材料对短波中红外光的吸收较弱，用于开发的传统光通信硅基光子器件的多项目晶圆（multi-project wafer, mpw）工艺，可以方便的转移到短波中红外波段，用于低成本的开发高质量、高密度的硅基光子集成回路。其中，光栅耦合器是光子集成回路中的关键器件之一。过去的研究表明，在短波中红外波段，可以基于mpw工艺开发亚波长光栅结构，提高能量耦合效率。然而，亚波长光栅耦合器对器件的制造误差比较敏感。因此，开发与mpw工艺兼容的、高容差的、亚波长光栅耦合器件是一个有意义的研究课题。
在本项工作中，研究者们研发了一种高容差亚波长光栅耦合器(relaxed-tolerance subwavelength grating coupler, rtswg)，分析了亚波长光栅耦合器的加工制作可重复性。如图1a所示，所研发的耦合器件设计在220 nm顶层硅的硅-绝缘体晶圆上，由周期性排列的孔状结构构成。
在x方向上，每个光栅周期内具有两个亚波长孔结构，用以克服传统亚波长光栅耦合器对制造误差引起的折射率变化的敏感性问题。同时，双孔亚波长结构也可以更加灵活的裁剪光栅耦合器的有效折射，优化光栅耦合器的耦合效率。图1b和1c比较了所设计的高容差亚波长光栅耦合器和普通亚波长光栅耦合器性能对加工制作误差的容忍度。理论结果显示，高容差亚波长光栅耦合器件在中心波长飘移和相对耦合效率等方面均具有一定的提升。
图1.短波中红外高容差亚波长光栅耦合器示意图与仿真结果。(a)高容差亚波长光栅耦合器的示意图；(b) 中心波长偏移随y方向上孔大小变化的曲线。(c) 相对耦合效率随y方向上孔大小变化的曲线。
高容差亚波长光栅耦合器和普通亚波长光栅耦合器的实验测量结果如图2所示。图2a为高容差亚波长光栅耦合器的实验测量与三维时域有限差分（three dimensional finite-difference time-domain method, 3d fdtd）的数值仿真结果。结果可知，高容差亚波长光栅耦合器在中心波长2038 nm处具有-6.2 db的耦合效率以及约30 nm的1 db耦合带宽。
图2b显示了普通亚波长光栅耦合器在中心波长2038 nm处具有-8.7 db的耦合效率以及约40 nm的1 db 耦合带宽。与普通亚波长光栅耦合器相比，高容差亚波长光栅耦合器的性能具有一定的提升，并具有更好的加工可重复性。
图2.高容差亚波长光栅耦合器和普通亚波长光栅耦合器在短波中红外的实验测量和3d fdtd数值仿真结果。(a)高容差亚波长光栅耦合器。(b) 普通亚波长光栅耦合器。
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