学习关于硅光芯片光纤耦合的综述文章（二）

4/29/2024，光纤在线讯，昨天提到光栅耦合因为支持晶圆级测试以及方便加工而成为硅光设计中光纤到芯片耦合的主流方案。但是这一方案相对较高的损耗和较窄的带宽也推动对解决办法的寻找。意大利Pavia大学Riccardo Marchetti和英国南安普敦大学Cosimo Lacave等人2017年一篇文章正是围绕这一点。

还是先看文章的结论。在这篇文章里，作者团队通过对衍射光栅光学切趾（apodize）的做法实现了SOI波导到单模光纤的的高效耦合。在220nm硅厚度的SOI平台下实现耦合效率70%（-1.6dB），260nm硅厚度下耦合效率更可以达到83%（-0.8dB），平均耦合损耗-1.1dB，-1dB带宽38.8nm。这一成绩是当时不采用嵌入式后反射器时的最佳结果。

切趾的意思，根据知乎上的介绍，切趾也称变迹，有关光学系统入射光瞳（物方孔径角）的均匀照明。有切趾的时候，可以实现中心光强比边缘强，这一点更像光纤出口处的光。下图给出了光学设计软件Zemax的切趾效果图（左图为切趾前，右图为切趾后）。

为什么要引入这个办法？作者在开篇提到，应对光栅型耦合方案的短处，人们提出了Poly-Silicon over layers，或者衬底嵌入式后反射器（DBR或者金属镜）方案，但这些方案通常会引入非CMOS的制造工艺因此并不可取。另外，改变光栅蚀刻结构也是减少耦合损耗的办法，但是也需要复杂的制造流程。为此，切趾的方案脱颖而出。切趾需要引入遗传算法等数值计算，但物理意义通常并不清楚。这篇文章的意义在于给出切趾改善耦合效率的物理解释，并给出了制造工艺。

在接下来的分析中作者通过引入一个线性切趾因子R来进行数值分析，得出的结论大概是光栅耦合器中的反射在切趾后大幅度减少了。深入理解这篇文章需要更多的光学和波导知识，且留到以后再去研究。我能理解的就是通过在光波导设计中引入切趾（类似一种信号变换），在不用大的结构改变下，提高了光栅耦合器的耦合效率。

从2017年至今已经七年，相信这方面的技术又有很多进展。正因为如此，硅光才可以加快走向我们。