氮化硅光子技术中高效率光纤-芯片光栅耦合器

引言

氮化硅(SiN)因其优异特性已成为光电子集成芯片(PIC)的重要平台材料，这些特性包括低传播损耗、可忽略的双光子吸收、宽透明窗口和低热敏感性。然而，高效率地将光从光纤耦合到氮化硅芯片仍面临挑战。本文探讨了一种使用非晶硅叠层光栅耦合器的解决方案，该方案在保持制造工艺容差的同时实现高耦合效率[1]。

1

光纤-芯片耦合的挑战

光纤与光电子集成芯片之间的光耦合是任何实用光子系统的基本要求。针对氮化硅光子技术，主要存在两种耦合方法：边缘耦合(EC)和光栅耦合(GC)。

边缘耦合提供高耦合效率(CE)、宽带宽和偏振不敏感性。由于氮化硅波导的低折射率对比度，使得芯片波导与光纤模式尺寸匹配更容易，耦合效率可达到低于1 dB。但边缘耦合需要在芯片边缘精确制备耦合面，这使得晶圆级测试变得困难。

光栅耦合允许面外耦合，实现晶圆级测试而无需处理耦合面。与边缘耦合相比，光栅耦合器通常具有更宽松的光纤对准公差。然而，传统光栅耦合器通常带宽较低、耦合效率较低且偏振依赖性高。

相比硅，氮化硅的低折射率对比度对光栅耦合器既有优势也有挑战。氮化硅光栅耦合器可以实现改进的带宽(1 dB带宽高达80 nm)，但低折射率对比度导致较弱的光散射，限制了单刻蚀氮化硅光栅的耦合效率约为-4.2 dB。

2

叠层光栅耦合器概念

图1：(a)带反射镜的非晶硅叠层光栅耦合器三维示意图。(b)带圆形反射镜的已制造耦合器光学显微镜图像。(c)无背面反射镜耦合器的SEM图像。(d)C波段光栅耦合器横截面SEM图像。

本文提出的方法在氮化硅波导顶部使用非晶硅(a-Si)叠层光栅。这与直接刻蚀在氮化硅层中的传统光栅不同。

叠层光栅耦合器由完全刻蚀的非晶硅光栅条组成，放置在800 nm厚的氮化硅层上，中间由薄层氧化物(ILO)隔开。其工作原理与传统光栅耦合器不同。这里，布拉格衍射通过在非晶硅叠层中放置光栅来耦合光，同时利用光栅区域中的多模段。

图2：(a)显示相关参数的光栅耦合器示意图。(b)无叠层的氮化硅波导中的模式分布。(c)多层结构中影响衍射的模式。(d)归一化电场显示不同模式之间的相互作用。

耦合机制如下：在氮化硅波导中传播的基本TE₀模式进入多模光栅段，在那里映射为三种本征模式(TE₁、TE₂、TE₃)。最初，光集中在氮化硅层中，只有少量在发生衍射的叠层中。随着这些模式在光栅段中传播，在叠层中产生建设性干涉，导致更强的空间衍射。最终，模式强度降低，衍射减少。这种辐射强度的逐渐增加和减少创造了几乎理想的高斯模式分布，与标准光纤模式匹配良好。

2

设计原理和制造容差

光栅设计遵循相位匹配条件(布拉格条件)，将入射光束和衍射光束的波矢量联系起来。表达式为：

ky = β - |K|

其中ky是面外波矢量分量，β是多模波导的传播常数，|K| = 2π/Λ是光栅矢量。计算光栅周期Λ需要了解光栅段的有效折射率。

这种方法的一个关键优势是其卓越的制造容差。尽管硅和层间氧化物厚度存在变化，多模光栅段的有效折射率几乎保持恒定。

图3：(a)计算的光栅周期Λ在大范围硅厚度变化下显示出几乎恒定的值。(b)模式的有效折射率和相对权重显示制造容差的来源。(c,d)模拟的有效折射率显示层间氧化物厚度的影响极小。

分析表明，尽管单个模式随硅厚度(hSi)有显著变化，有效折射率的加权平均值仍保持非常稳定。这导致光栅耦合器设计在关键尺寸变化的情况下仍能保持高性能。

3

C波段光栅耦合器性能

对于C波段(波长约1550 nm)，优化的光栅耦合器设计参数为：硅厚度hSi = 290 nm，层间氧化物厚度hILO = 100 nm，光栅周期Λ = 888 nm，填充因子FF = 0.32。氮化硅厚度(hSiN = 800 nm)和埋氧层厚度(hBOX = 4.1 μm)保持不变。

图4：模拟的耦合效率：(a)非晶硅叠层光栅耦合器和(b)具有金属反射镜的同一设计，显示了改进的定向性和效率。

没有背反射镜时，模拟的耦合效率达到-1.11 dB，1 dB带宽为40.5 nm。向上衍射场与光纤的模式重叠率达96.6%。通过在埋氧层下方(氮化硅下方4.1 μm)添加金属背反射镜，耦合效率提高到-0.44 dB，同时保持39 nm的大1 dB带宽。

图5：显示所提出光栅耦合器的制造容差的模拟。(a,b)随硅和层间氧化物厚度变化的耦合效率。(c)对光栅周期和填充因子变化的容差。(d)耦合效率与埋氧层和顶部氧化物厚度的关系。

大量的2D-FDTD模拟证明了这种设计的显著制造容差。当硅厚度变化±43 nm和层间氧化物厚度变化±69.5 nm时，耦合效率保持在其最佳值的1 dB范围内。该设计对光栅周期(±17 nm)和填充因子(±0.073)的变化也显示出良好的容差。

4

双偏振O波段光栅耦合器

对于光通信应用，特别是在O波段(约1310 nm)运行的数据中心互连，使用相同的叠层方法开发了偏振不敏感的耦合器。

图6：O波段的偏振多样性一维光栅耦合器：(a,b)TE和TM模式的有效折射率和相对权重。(c)模拟传输显示偏振不敏感行为。

由于矩形波导的双折射性，传统一维光栅耦合器对偏振高度敏感。叠层方法通过利用多层结构提供的额外自由度克服了这一限制。由于O波段波长较短，多层结构中存在四种模式(而C波段中是三种)。通过仔细优化设计参数，可以使TE和TM偏振的有效折射率几乎相等，使两种偏振都能用相同的光栅高效耦合。

优化的O波段光栅周期为765 nm，填充因子为0.484，非晶硅厚度为305 nm，层间氧化物厚度为100 nm。模拟显示耦合效率为-2.6 dB，30 nm波长范围内的偏振相关损耗低于0.15 dB。

5

实验结果

光栅耦合器使用后端工艺在晶圆厂生产的氮化硅晶圆上制造。非晶硅通过等离子体增强化学气相沉积沉积，电子束光刻形成图形，并使用感应耦合反应离子刻蚀进行刻蚀。对于具有金属反射镜的器件，背面氧化物被刻蚀，然后是硅基板的深反应离子刻蚀和金沉积。

图7：测量和模拟的耦合效率：(a)无背反射镜的C波段光栅，(b)有背反射镜的C波段光栅，(c)显示低PDL的偏振多样性O波段光栅。

C波段光栅的实验结果显示，无背反射镜时耦合效率为-2.2 dB，有金属背反射镜时为-1.4 dB。1 dB带宽分别为45 nm和37.5 nm。对于双偏振O波段设计，测量显示TM偏振的耦合效率为-2.3 dB，TE偏振为-3.0 dB，在40 nm波长范围内的偏振相关损耗低于1 dB。

6

结论

非晶硅叠层光栅耦合器方法为氮化硅光子技术中的高效光纤-芯片耦合提供了一种简单、具有制造容差的方法。对于C波段应用，无金属反射镜时能达到-2.2 dB的耦合效率，有金属反射镜时达到-1.4 dB，这与文献中报道的更复杂方法相比具有优势。该设计还能在O波段实现偏振不敏感操作，两种偏振的耦合效率均优于-3 dB。

这种方法的高制造容差对快速原型设计和可扩展制造特别有价值。通过仅需在叠层进行单次刻蚀步骤，并对厚度变化表现出稳健性，这些光栅耦合器为高效耦合提供了一种优雅的解决方案，同时保持与氮化硅光子技术的标准晶圆厂工艺兼容。

参考文献

[1] M. Kohli et al., "C- and OBand Dual-Polarization Fiber-to-Chip Grating Couplers for Silicon Nitride Photonics," ACS Photonics, vol. 10, no. 9, pp. 3366-3373, Aug. 2023, doi: 10.1021/acsphotonics.3c00834.

END