本期文章將介紹一種基于X-cut絕緣體上鈮酸鋰（LNOI）的光柵耦合器結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)所采用的逆向設計方法是基于梯度伴隨優(yōu)化方法，具有優(yōu)化自由度大，時間短的優(yōu)點。此外，該光柵耦合器無需底層金屬反射層，只需一步刻蝕就可實現(xiàn)高性能的光柵耦合器，實驗測得其耦合效率高達-3.3dB，3dB帶寬能達到90nm。鈮酸鋰（LN）是一種多功能的電介質(zhì)晶體，擁有電光、非線性光學、聲光、鐵電、壓電、光折變和光致發(fā)光等卓越物理特性，如圖1所示[2]，其在電信、頻率轉(zhuǎn)換、光存儲、濾波和量子光學等多個領(lǐng)域有著廣泛的應用。通過“智能切片（smart cut）”技術(shù)制備的薄膜鈮酸鋰層經(jīng)過退火處理后不僅保持了體塊鈮酸鋰晶體的單晶結(jié)構(gòu)，同時還具有極好的非線性光學性質(zhì)，通過二次退火和化學機械拋光等處理，可以消除離子注入引起的晶格損傷并改善表面粗糙度，從而得到厚度合適的高性能晶圓級絕緣層上薄膜鈮酸鋰（LNOI）。
一系列高性能的LNOI集成光學器件已經(jīng)被開發(fā)出來，如可調(diào)諧頻率梳、高頻低壓電光調(diào)制器等。然而，對于所有LNOI器件，在與片外光源和檢測器的光纖耦合中存在關(guān)鍵問題，與厚膜和大塊材料不同，LNOI波導和單模光纖之間的高效率耦合相對困難，因為波導模式和光纖模式之間的失配是明顯的。本期文章將介紹一種平衡了耦合效率和耦合帶寬的X-cut LNOI光柵耦合器，該器件的優(yōu)化采用基于梯度伴隨方法的逆向設計，該方法不僅節(jié)約時間，還具有更多的自由度優(yōu)化。
該光柵耦合器設計在400nm X-cut LNOI平臺上，在平臺下埋有3μm厚的SiO2層。光柵耦合器示意圖如圖2所示，光柵數(shù)量設置為20個，足以覆蓋整個單模光纖的光斑尺寸，圖2（c）為光柵波導模式到光纖模式耦合時的光場圖。
圖2 LNOI上的光柵耦合器。（a）結(jié)構(gòu)示意圖;（b）截面圖;（c）光場圖
基于梯度的逆向設計方法不依賴于參數(shù)掃描或隨機擾動來尋找最小值，同時使用伴隨方法分別從正向和逆向伴隨仿真中獲得場分布，以計算場分布相對于結(jié)構(gòu)向量的梯度，這比遺傳算法或粒子群優(yōu)化算法需要更少的模擬時間。
該器件的設計流程如圖3所示。在優(yōu)化中，由于光柵結(jié)構(gòu)的特殊性，選擇直接采用離散參數(shù)矢量A=[a1,b1；a2,b2；…；an,bn]，其對應于包層外部的SiO2和光纖，以及包層內(nèi)的鈮酸鋰，其中ai，bi（i=1，2，...，n）是i階光柵的未蝕刻和蝕刻區(qū)域的長度，并且應用特征尺寸約束（ai≥100nm，bi≥0）以便于實際制造和處理。在仿真中，根據(jù)制造將側(cè)壁楔角設置為60°。同時，引入輔助矢量B=[θ，he]，其中θ為光纖的入射角，he為刻蝕深度，以優(yōu)化光纖的入射角和刻蝕深度，獲得較大的耦合效率。此外，為了平衡耦合效率與帶寬之間的關(guān)系，將目標函數(shù)調(diào)整為等間隔波長處的平均耦合效率，采用L-BFGS-B算法進行迭代直到最優(yōu)收斂。
在優(yōu)化過程中，以中心波長1550nm以及3dB帶寬分別為40nm、60nm、80nm和100nm為目標，此外，波長間隔為10nm，入射光纖芯徑為9μm，包層直徑為125μm的單模光纖。由于三維光柵耦合器優(yōu)化計算量大的問題，采用時域有限差分法（FDTD）進行二維仿真，優(yōu)化迭代次數(shù)設置為150次。對于3 dB帶寬為40nm的光柵耦合器，其最佳光纖角度約為2.5°，刻蝕深度約為280 nm。為了統(tǒng)一后續(xù)工藝和實驗測試，對于其他帶寬優(yōu)化，入射角和蝕刻深度是恒定的。
為了進一步說明結(jié)果的準確性，采用3D-FDTD對優(yōu)化結(jié)果進行了驗證，考慮了兩種結(jié)構(gòu)：矩形光柵和曲面光柵，如圖4（a）所示。其中圖4（b）和圖4（c）分別表示兩種結(jié)構(gòu)的光柵耦合器的耦合效率。
圖4 （a）兩種光柵耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖；（c）曲面光柵的耦合效率
光柵耦合器中鈮酸鋰薄膜的厚度為400nm。光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）的圖像如圖5所示。在制備過程中只有一次電子曝光和一次蝕刻步驟，正性光致抗蝕劑（ZEP 520A）通過50keV電子束光刻（EBL）圖案化并使用乙酸戊酯顯影，使用低壓氬等離子體通過ICP-RIE蝕刻將圖案轉(zhuǎn)移到LN薄膜中。最后，使用通過PECVD沉積的SiO2作為上包層。（b）直波導橫截面,（c）光柵局部放大,（d）光柵耦合器的SEM圖
測量的TE模式的結(jié)果如圖6所示。仿真和測量結(jié)果之間存在一些差異，這可能歸因于制造過程中不可避免的制造誤差。在1550nm波長處，TE偏振的最大耦合效率可達-3.3dB，3dB帶寬為78nm，與仿真結(jié)果相比，效率略有下降，帶寬有所增加。實驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，優(yōu)化后的光柵具有更大的帶寬。最大耦合效率仍為-3.9dB，3dB帶寬為90nm。圖6 實驗結(jié)果圖。（a）耦合效率；（b）帶寬
[1]He,X.,Sun,D.,Chen,J.,&Shi,Y.(2024).yInverse designed grating coupler with low loss and high bandwidth on LNOI platform. IEEE Photonics Journal.
[2]鄧莉,et al."薄膜鈮酸鋰微納結(jié)構(gòu)的非線性光學研究進展(特邀)."Laser& Optoelectronics Progress 61.11 (2024): 1116011.
相關(guān)閱讀
【Lumerical系列】用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
【Lumerical系列】一種高效多模耦合/（解）復用的新方案
【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器3丨仿真流程
【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器2丨十字型異質(zhì)多芯波導
【Lumerical系列】無源器件-端面耦合器1丨綜述
【Lumerical系列】Lumerical關(guān)于CMOS圖像傳感器的角度響應（2D）仿真
摩爾芯創(chuàng)專注于為硅基光電子、電力電子、高科技半導體等行業(yè)提供先進的電子設計自動化（EDA）和計算機輔助工程（CAE）協(xié)同解決方案；提供從光學、光電子學、電磁場、結(jié)構(gòu)、流體、多物理場耦合等全面的工業(yè)軟件應用解決方案和咨詢服務。
官網(wǎng)：rfteuxon.cn
電話：15521163312(微信同號)
郵箱：wenye@mooreda.com.cn
