利用微转印光栅耦合器提高氮化硅光电子集成芯片的光耦合效率

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引言
" b& [: }. J% T氮化硅（Si3N4）已成为集成光电子技术的多功能材料，在近红外和可见光范围内具有低损耗和高透明度。这些特性使其非常适合生物传感、电信和量子计算等应用。然而，由于模式面积不匹配，高折射率对比度的Si3N4波导与光纤之间的高效光耦合仍然是一个挑战。
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  H6 C& E$ a" n- }# W本文探讨使用微转印（μTP）光栅耦合器来提高氮化硅光电子集成芯片（PIC）的耦合效率。我们将讨论这项技术背后的原理、制造过程以及通过这种方法获得的结果[1]。

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+ V( j2 F  D4 j光栅耦合器概述
' |  i# @: H0 M3 e% I; R9 Y光栅耦合器通常用于实现片上波导和光纤之间的垂直光耦合。这些结构由刻蚀在导波层中的周期性图案组成，允许光向上衍射到光纤，反之亦然。与使用边缘耦合器进行水平耦合相比，使用光栅耦合器进行垂直耦合在片上定位方面更灵活，对光学对准的敏感性也较低。

( V  T( a% `+ T/ U& n( p然而，由于Si3N4和SiO2之间的折射率对比度较低，Si3N4光栅耦合器的效率通常低于硅绝缘体（SOI）光栅耦合器。这导致每个光栅周期的散射强度较低，在给定的光纤直径内散射元件较少，从而降低了耦合效率。
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使用底部反射器提高耦合效率
提高光栅耦合器耦合效率的一种方法是在光栅下方加入底部反射器。这可以防止光向底部基底泄漏，而这是耦合损耗的主要来源。通过仔细调节光栅和底部反射器之间的距离，可以在目标波长处实现直接耦合光和反射光之间的相干干涉。

: Z9 Q+ v( @) V9 t; s5 D9 c研究人员已经探索了各种类型的底部反射器，包括单层金属反射器、分布式布拉格反射器和反射光栅。虽然已经实现了高达-1 dB的耦合效率，但这些反射器通常会引入额外的制造复杂性，可能与标准波导平台不兼容。

微转印光栅耦合器
* c# [6 p$ i8 I; V- @本文介绍了一种使用微转印技术将高效光栅耦合器集成到标准Si3N4平台上的新方法。这种方法提供了一种可扩展和经济高效的解决方案，不需要修改现有的光电子集成芯片制造工艺。

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图1显示目标线路上带有金底部反射器的μTP Si3N4光栅耦合器的示意图。

& Q7 i  J  O8 g4 y所提出的光栅耦合器由Si3N4光栅和金反射器组成，两者之间由一层薄的SiO2分隔，并夹在顶部和底部SiO2包覆层之间。光栅宽度为5μm，与785 nm波长的单模光纤的芯径相匹配。当光通过光栅耦合器耦合到线路中时，向下衍射的光被金反射器反射，并重新耦合回氮化硅层。

3 y# o: R, G9 G, |, L3 B& u& WμTP光栅耦合器的主要特点：

底部反射器：使用金反射器防止光泄漏到基底中，提高耦合效率。

渐变光栅：光栅设计在传播方向上具有变化的填充因子和周期，以更好地匹配光纤的高斯模式。

绝热耦合器：微转印结构中的一个锥形结构和目标集成线路上的另一个锥形结构形成绝热耦合器，实现两个Si3N4层之间的高效光耦合。
[/ol]
% c9 w2 U% v8 W8 l1 c设计和优化
设计过程涉及优化几个参数以实现最大耦合效率：

沿传播方向填充因子的变化率（R）

光栅的刻蚀深度（E）

光栅和反射器之间的氧化物厚度（D）

光纤角度（θ）和位置

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: V8 V5 A  E0 E/ \$ X& f

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图2显示各种参数扫描的估计耦合效率。

$ Y/ o( @! l4 |3 L优化过程首先对R和E进行粗略扫描，然后在最佳组合周围进行精细扫描。然后优化氧化物厚度D，以实现反射光和直接耦合光之间的相干干涉。
1 }8 y/ R* Q; d5 p2 p
对于优化设计（R = 0.09 μm-1，E = 290 nm，D = 200 nm），数值模拟预测在目标波长785 nm处的耦合效率为64.9%（-1.88 dB），1-dB带宽为44 nm。


; s# C/ }/ Y5 d; k, H! {# c绝热耦合器设计
绝热耦合器由两个垂直分离并反向放置的锥形结构组成，在微转印器件和目标线路之间的高效光耦合中起着关键作用。耦合效率由锥形长度和垂直间距决定。
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9 @: c* X, R7 B: `( z图3显示不同锥形长度的绝热耦合器的估计耦合效率和整体耦合效率。
* L, h8 Z& i3 a6 {
模拟结果显示，在785 nm波长处，需要最小150 μm的锥形长度才能达到96%的耦合效率。对于10°的光纤角度，μTP光栅耦合器的整体效率（包括光栅和绝热耦合器）估计为62.4%（-2.0 dB）。
- q9 A8 g8 m/ W

制造过程
μTP光栅耦合器的制造涉及以下几个步骤：
, B3 x" B$ s4 x5 t  G1. 源器件制造：
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沉积SiO2并图案化金反射器

沉积Si3N4导波层

定义浅刻蚀光栅和深刻蚀锥形结构

使用氢倍硅氧烷（HSQ）进行平坦化

沉积顶部SiO2包覆层

" f5 i& C8 d( i) o, c" k9 Y$ G2. 释放过程：
- d1 ^; D- p6 p. ?$ l1 N1 I

在耦合器周围进行深度干法刻蚀

使用四甲基氢氧化铵（TMAH）对Si基底进行下刻蚀
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8 t2 v" m& G2 o4 N3. 目标样品准备：
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沉积SiO2和Si3N4层

刻蚀带有绝热锥形结构的波导

旋涂薄层苯并环丁烯（BCB）

1 |2 M  K1 D* `3 F% T4. 微转印：

将释放的耦合器印刷到目标样品上的波导末端
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图4显示耦合器图案化和释放的工艺流程。

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1 z3 D4 K0 {9 ~( S0 a) c( e$ r% a图5显示印刷到目标样品上的光栅耦合器。
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: ~) B4 |" l; Z9 D( k测量结果
: G( p8 O2 o2 i6 |% L0 |为了表征μTP光栅耦合器的耦合效率，对长度为7、8和9 mm的一系列波导进行了测量。波长从780 nm到880 nm的光通过倾斜10°的单模光纤耦合到波导中。

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6 {7 |# }* m8 k  Q' W- _图6显示μTP和普通光栅耦合器在780至880 nm波长范围内的耦合效率。
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μTP光栅耦合器实现的最佳实验耦合效率在840 nm波长附近为-2.1 dB，而三个波导的平均效率为-4.0 dB。这两个结果都比在同一晶圆上制造的传统光栅耦合器提高了3 dB。
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值得注意的是，制造的器件的中心波长比设计偏移了50多nm，这可能是由于材料特性和制造不确定性的轻微变化造成的。

应用和优势
$ _' S3 K" R8 M$ x; K微转印光栅耦合器方法具有以下几个优点：

更高的耦合效率：底部反射器增强设计显著提高了与标准光栅耦合器相比的耦合效率。

解耦技术：该方法允许分别优化Si3N4光电子集成芯片制造和光栅耦合器生产，为制造创造了更多供应链选择。

后期定制：在制造后期阶段添加光栅耦合器实现了一种可编程性，允许将通用线路定制用于各种应用。

信号探测：通过调节绝热耦合器的耦合效率，μTP光栅耦合器可用于信号探测，实现线路调试或实现器件调谐的反馈回路。
- j/ N3 X% C) l- l( r[/ol]
4 _9 l5 ]& j  x+ }结论
带有底部反射器的微转印Si3N4光栅耦合器为提高氮化硅光电子集成芯片的光耦合效率提供了有效的解决方案。这种方法结合了金属底部反射器和渐变光栅的优点，无需修改现有平台的标准工艺流程。

实验结果表明，耦合效率得到了显著提高，最佳器件在840 nm处实现了-2.1 dB的耦合效率，比传统光栅耦合器提高了3 dB。这项技术不仅提高了标准Si3N4平台的耦合效率，还为制造灵活性和在通用线路中实现高级功能创造了新的机会。
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- z' N4 N+ C( T) S" x, {8 B: r& W7 |参考文献
  [' |' X& d1 M, R" f[1] Z. Liu et al., "Bottom-Reflector Enhanced Grating Couplers Micro-Transfer Printed on Silicon Nitride Photonic Integrated Circuits," J. Lightw. Technol., vol. 42, no. 17, pp. 5936-5941, Sep. 1, 2024.

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