用于硅基光集成芯片與光纖耦合的光柵耦合器.pdf

1、隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能時代的到來，人們對數(shù)據(jù)處理的需求也是呈爆炸式地增長，一座座大型數(shù)據(jù)中心以及超級計算機拔地而起。在這些數(shù)據(jù)中心以及超級計算機中，處理器和存儲器之間龐大的數(shù)據(jù)交換是由光互聯(lián)技術(shù)來完成的。為了降低器件的成本和功耗，同時提高器件的穩(wěn)定性，要求光互聯(lián)模塊更加的集成化。硅基光集成芯片由于其集成度高、工藝成熟和成本低等優(yōu)點受到了廣泛的關(guān)注和研究。隨著研究的深入，各種高性能的硅基無源和有源器件已經(jīng)被成功實現(xiàn)。然而，要實現(xiàn)硅基

2、光集成芯片的真正商用，除了需要高性能的器件對信號進行處理之外，還需要高性能的耦合器來實現(xiàn)芯片與光纖之間的耦合。
　　芯片與光纖之間耦合的挑戰(zhàn)主要在于光纖和硅波導(dǎo)的截面尺寸差距過大，若兩者直接對接耦合，會造成巨大的耦合損耗。為了解決這個問題，國內(nèi)外研究人員進行了大量的探索，并提出了多種解決方案。其中，光柵耦合器由于制作簡單、位置靈活、對準(zhǔn)容差大、可以進行片上測試以及多通道密集耦合等優(yōu)點，已經(jīng)成為一種最主要的方案。本論文針對光柵耦合器

3、存在的一些不足進行了研究，主要包括減小尺寸、提高耦合效率、降低偏振相關(guān)性以及簡化制作工藝，具體研究內(nèi)容可以概括如下：
　　(1)介紹分析了光柵耦合器的基本原理、主要性能指標(biāo)、基本的設(shè)計過程、制作流程以及測試方法，這為后續(xù)光柵耦合器的設(shè)計和制作打下理論和實驗基礎(chǔ)。
　　(2)研究了如何減小光柵耦合器的尺寸。對匯聚型光柵耦合器進行了原理解釋并對其進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了-3.9dB的耦合效率，同時將尺寸減小到了傳統(tǒng)光柵耦合器的1/

4、6。提出了一種低損耗的超短模斑轉(zhuǎn)換器，利用分段優(yōu)化的方法，在20μm長度下，將模斑轉(zhuǎn)換器的損耗從5dB減小到了0.62dB。
　　(3)研究了如何提高光柵耦合器的耦合效率。利用變周期結(jié)構(gòu)來減小光纖和光柵耦合器之間的模式失配，制作得到了耦合效率為-2.9dB的變周期光柵耦合器，比均勻周期光柵耦合器提高了0.9dB。提出了一種懸浮式的光柵耦合器，在不增加工藝復(fù)雜度的情況下，將光柵耦合器的耦合效率進一步提高到了-2.1dB。理論上提出了

5、一種可用在氮化硅-硅混合集成芯片中的低損耗氮化硅光柵耦合器，通過制作一個底部光柵反射鏡，使光柵耦合器的耦合效率提高到了-0.9dB。
　　(4)研究了二維光柵耦合器來克服傳統(tǒng)一維光柵耦合器的偏振相關(guān)性。提出了一種基于二維光柵耦合器和微環(huán)諧振器的偏振無關(guān)時鐘恢復(fù)方案，其中利用側(cè)面反射光柵，將二維光柵耦合器的垂直耦合效率從-7.0dB提高到了-5.0dB。分析了傾斜耦合的二維光柵耦合器，提出了菱形分布的結(jié)構(gòu)以使二維光柵耦合器兩個輸出波

6、導(dǎo)垂直，采用匯聚型結(jié)構(gòu)來減小二維光柵耦合器的尺寸，通過懸浮式結(jié)構(gòu)來提高二維光柵耦合器的耦合效率。利用五孔型結(jié)構(gòu)的刻孔結(jié)構(gòu)，提出了一種低偏振相關(guān)損耗的二維光柵耦合器，將傾斜耦合時二維光柵耦合器的偏振相關(guān)損耗從1.5dB降低到了0.25dB。
　　(5)研究了光柵耦合器的制作工藝簡化。利用亞波長結(jié)構(gòu)結(jié)合實際制作中發(fā)現(xiàn)的lag effect效應(yīng)提出了一種可以與波導(dǎo)器件一起進行制作的單步刻蝕一維光柵耦合器，實測的耦合效率達到了-2.8dB