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、基本的設計過程、制作流程以及測試方法，這為后續(xù)光柵耦合器的設計和制作打下理論和實驗基礎。
　　(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換器，利用分段優(yōu)化的方法，在20μm長度下，將模斑轉換器的損耗從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。利用變周期結構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)諧振器的偏振無關時鐘恢復方案，其中利用側面反射光柵，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構以使二維光柵耦合器兩個輸出波

6、導垂直，采用匯聚型結構來減小二維光柵耦合器的尺寸，通過懸浮式結構來提高二維光柵耦合器的耦合效率。利用五孔型結構的刻孔結構，提出了一種低偏振相關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。利用亞波長結構結合實際制作中發(fā)現(xiàn)的lag effect效應提出了一種可以與波導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