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摘要
? ? ? 硅光子學(xué)最有吸引力的一個(gè)方面是它能夠提供極小的光學(xué)元件，其典型尺寸比光纖器件的尺寸小一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種尺寸差異使得光纖到芯片接口的設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性，多年來(lái)，在該領(lǐng)域激發(fā)了大量的技術(shù)和研究工作。光纖到硅光子芯片接口可以大致分為兩大類:面內(nèi)和面外耦合器。屬于第一類的器件通常提供相對(duì)較高的耦合效率、較寬的耦合帶寬(波長(zhǎng))和較低的偏振依賴性，但是需要相對(duì)復(fù)雜的制造和組裝過(guò)程，這與晶片級(jí)測(cè)試不直接兼容。相反，面外耦合器件效率更低，帶寬更窄，并且通常與偏振相關(guān)。然而，它們通常與大批量制造和封裝工藝更兼容，并且允許在晶片上接近光學(xué)電路的任何部分。在這篇文章中，我們回顧了光子集成電路的光耦合器的當(dāng)前技術(shù)水平，旨在給讀者一個(gè)全面和廣闊的視野，確定每種解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)。由于光纖到芯片耦合器與封裝技術(shù)有著內(nèi)在的聯(lián)系，光學(xué)封裝的共同設(shè)計(jì)變得至關(guān)重要，我們還回顧了目前用于封裝和組裝具有硅光子集成電路的光纖的主要解決方案。
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介紹
? ? ? 光學(xué)技術(shù)已經(jīng)徹底改變了通信領(lǐng)域，允許通過(guò)光纖進(jìn)行現(xiàn)代高帶寬跨洋傳輸。在過(guò)去的十年中，硅光子學(xué)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)光收發(fā)器和光處理器的平臺(tái)，旨在為電信和數(shù)據(jù)通信應(yīng)用提供低成本和高性能的組件。使用硅(Si)波導(dǎo)作為基本元件，可以實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)組件。
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光耦合的不同結(jié)構(gòu)的概念
? ? ? 本節(jié)專門(mén)分析利用端火耦合方案的耦合解決方案。通常，當(dāng)采用這些方案之一時(shí)，需要根據(jù)耦合方案來(lái)定制輸入和輸出光纖；因此，仔細(xì)選擇合適的纖維幾何形狀至關(guān)重要。waveguidewidth是光傳播的徑向方向，在末端下降到一個(gè)小值。隨著波導(dǎo)尺寸的減小，導(dǎo)模受到的約束越來(lái)越小，其有效截面增大，而其有效折射率減小.這種允許耦合到(通常是透鏡的)光纖的耦合損耗由芯片面的反射、光纖到尖端的模式失配以及沿錐形SOI波導(dǎo)的模式轉(zhuǎn)換損耗等影響決定。實(shí)現(xiàn)高效平面ECs的另一種解決方案是使用亞波長(zhǎng)光柵(SWGs)[35–37]，而不需要覆蓋的SSC。
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圖1
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單偏振光柵耦合器
? ? ? 在氣相色譜結(jié)構(gòu)中，折射率變化可以是周期性的(均勻氣相色譜)或非周期性的。非周期光柵結(jié)構(gòu)通常被稱為“切趾”光柵。周期性折射率變化是通過(guò)部分蝕刻具有蝕刻深度e的硅波導(dǎo)而產(chǎn)生的，因此限定了具有長(zhǎng)度LE和原始厚度(即。未蝕刻)長(zhǎng)度為L(zhǎng)O的齒。周期λ被定義為每個(gè)散射單元的長(zhǎng)度，因此光柵填充因子(FF)可以定義為未蝕刻的齒LO和光柵周期λ之間的比率。
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總耦合效率
? ? ? 耦合到光纖基模的光功率與沿波導(dǎo)(Pwg)傳播的光功率之比。由于互易定理，它可以應(yīng)用于線性開(kāi)放系統(tǒng)如硅光柵，如果我們考慮單模波導(dǎo)和單模光纖，輸出配置中的CE(即，。光從PIC波導(dǎo)傳播到光纖)并且在輸入配置中(即光從光纖耦合到PIC波導(dǎo))完全相同。
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圖 3
2D光柵耦合器
? ? ? 1D-GC通常表現(xiàn)出很強(qiáng)的偏振敏感性，并且僅針對(duì)一種偏振態(tài)提供最佳的CE。雖然某些采用亞波長(zhǎng)特性的1D-氣相色譜設(shè)計(jì)可以克服這種偏振相關(guān)問(wèn)題，但2D-氣相色譜為光纖到光子晶體光纖耦合提供了一種替代解決方案，其中光纖模式具有未知或不穩(wěn)定的偏振狀態(tài)。在其最簡(jiǎn)單的形式中，2D-氣相色譜可以被視為兩個(gè)正交取向的1D-氣相色譜的疊加，每個(gè)都將來(lái)自光纖模式的光耦合到SOI-PIC表面上的TE偏振波導(dǎo)模式。
結(jié)論和展望
?????硅光子學(xué)無(wú)疑改變了集成光學(xué)的范式。三個(gè)主要方面推動(dòng)了他們的研究工作:(一)有效地將光束耦合進(jìn)耦合出硅光子PIC的能力，(二)帶寬和偏振相關(guān)損耗，以及(三)在高密度互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體兼容的制造環(huán)境中實(shí)現(xiàn)任何建議的器件并用實(shí)用和現(xiàn)實(shí)的技術(shù)封裝它的可能性。自然，歷史上研究過(guò)的第一種方法是邊緣耦合技術(shù)，在這種技術(shù)中，光被擠壓到硅光子器件中，而不改變其傳播方向。GCs引入了一種不太直觀的方法，它顯示出自己是一種極其強(qiáng)大的工具，可以從面外方向?qū)⒐怦詈系焦韫庾訄D像，從而促進(jìn)晶圓級(jí)測(cè)試和電路診斷。不可否認(rèn)的是，邊緣耦合策略提供了比使用氣相色譜設(shè)備通?？蓪?shí)現(xiàn)的更好的性能(更高的耦合效率、幾乎平坦的帶寬和無(wú)偏振相關(guān)損耗)。
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