01.硅基光电子技术与耦合挑战概述
过去二十年来，硅基光电子技术已将积体光学领域带入新的发展阶段，提供了一个可大量生产光学线路的平台。这项技术利用硅波导作为基本元件，实现多种光学元件，包括方向性耦合器、Y分支器、分布式布拉格光栅、阵列波导光栅、马赫-曾德干涉仪、环形共振器以及高速光调变器。尽管硅基光电子技术已相当成熟，但与光纤元件的兼容性仍然受限，主要原因在于光纤与硅基光电子波导模态分布之间存在巨大的尺寸差异。
问题核心在于尺寸差距。硅基光电子波导将光限制在典型截面约为450nm×220nm的区域内，而标准单模光纤(SMF-28)在1550nm波长下的模场直径约为10.4微米。这种量级上的差异使得光纤与芯片之间的高效率光耦合成为持续的工程挑战，也因此激发了大量的技术研究工作。硅基光电子社群发展出两种主要耦合方式来解决这个不匹配问题：边缘耦合(也称为平面耦合、端面耦合或直接耦合)以及透过光栅结构的垂直耦合[1]。
图1：硅基光电子耦合结构的概念，说明边缘耦合器和光栅耦合器的主要类别及各种实施方式。02.边缘耦合基础与反向锥形设计
边缘耦合技术从波导侧面横向耦合光，光传播始终保持在同一水平面内。这种方法通常需要在芯片边缘制作光学级切面，以达到超过80%的耦合效率且偏振相依性可忽略不计。基本的边缘耦合器由反向锥形截面组成，波导宽度沿着光传播方向逐渐减小至一个很小的尖端值。随着波导尺寸减小，导波模态的限制程度降低，有效截面扩大，有效折射率降低，使得与透镜光纤的耦合成为可能。
Almeida等人早期展示了紧凑型锥形耦合器。一个截面为470nm×270nm的单模硅光波导，在仅40微米的长度内使用抛物线形过渡锥形至100nm宽的尖端。使用2D有限差分时域法进行的数值模拟预测，在最小锥形长度为40微米、最小尖端宽度为120nm的条件下，锥形引起的损耗仅为0.25dB。实验量测的耦合效率在1.55微米波长下，横向磁化(TM)光偏振约为46.8%(-3.3dB)，横向电化(TE)偏振约为25.1%(-6.0dB)。相对较低的耦合效率可以解释为：尖端与光纤之间的模态不匹配对于TE和TM偏振有两个不同的最佳尖端宽度值(TM偏振的最佳尖端宽度为50nm，TE偏振为120nm)。此外，导波模态的扩展主要发生在平面内方向，因此光纤与尖端之间仍存在较大的平面外不匹配。
要达到更好的效率，波导模态必须在平面内和平面外方向都进行扩展。这可以透过制作3D波导锥形来实现，即沿着光传播方向逐渐改变波导的宽度和高度，但制程涉及灰阶光罩和紫外线灰阶光刻，相当复杂且与标准CMOS制程流程中的二元光刻不兼容。更实际的方法是将侧向硅反向锥形结构封装在折射率较低的材料覆盖层内，实现2D点尺寸转换器。这些覆盖层可以使用聚合物材料、氮氧化硅、富硅氧化物或氮化硅。对于标准硅绝缘体(SOI)平台，氮化硅是首选，因为可以使用CMOS兼容制程在SOI晶圆的硅层上生长，且氮化硅在O波段和C波段的折射率约为2.0，几乎正好位于SMF-28光纤和SOI平台波导的有效折射率之间，提供接近最佳的折射率匹配条件。
图2：标准SOI边缘耦合器示意图，显示硅波导锥形缩小以实现水平方向的模态扩展，并在锥形上沉积覆盖层材料(聚合物、氮化硅、氮氧化硅或富硅氧化物)以实现垂直方向的模态扩展，实现高效率光纤耦合。先进的实作展示了高性能表现。一个设计将300nm×300nm的硅线波导宽度在200微米长度内减小到60nm，使用电子束微影和电子回旋共振电浆蚀刻制作，然后封装在3μm×3μm的聚合物波导中。对于4.3微米模场直径的光纤，实验耦合效率达到83.2%(-0.8dB)，偏振相依损耗约0.5dB。使用氮氧化硅的实作提供了比聚合物更好的耐久性和抗湿性，同时达到89.1%的耦合效率。使用富硅氧化物的设计在1.55微米波长下，对TE和TM偏振都达到了实验验证的94.4%(-0.25dB)耦合效率，使用的是模场直径为3微米的透镜光纤。
光学切面制作是另一个关键考量。虽然抛光在小批量生产中效果良好，但大规模生产需要替代方法。两步骤反应离子蚀刻制程可以在点尺寸转换器中创建光学级沟槽深入硅绝缘体表面，更深的沟槽有助于光纤接近和定位。这种技术能够实现与大批量制造兼容的晶圆级制作。
图3：(a)扫描电子显微镜影像显示SOI光电子芯片上的光学切面和边缘耦合器区域，呈现镜面抛光的光学切面、用于光纤接近的较深反应离子蚀刻沟槽，以及芯片的切割边缘。(b)多通道光纤阵列示意图，显示夹在V型沟槽阵列和接触板之间的250微米间距光纤阵列。03.次波长光栅边缘耦合器
次波长光栅提供了一种不需要覆盖层点尺寸转换器的替代边缘耦合方法。这些结构由硅线波导组成，沿着光传播方向周期性地形成完全蚀刻的沟槽。当光栅周期保持小于光学波长且足够小以避免布拉格绕射时，根据有效介质理论，该结构表现为超材料。有效折射率可以透过改变光栅占空比(未蚀刻部分长度与光栅周期的比率)在硅和包层材料之间变化。
这种方法比标准硅反向锥形具有优势。窄波导尖端通常需要电子束制作，而TE和TM偏振的最佳尖端尺寸不同，导致高偏振相依损耗。相比之下，次波长光栅结构提供额外的设计自由度：耦合器尖端的点尺寸可以同时透过尖端宽度和波导有效折射率来控制，后者可以透过修改次波长光栅结构来调整。
初期的分析研究检视了次波长光栅基础边缘耦合器，用于将光耦合到硅绝缘体带状波导中。光栅具有恒定周期，占空比从耦合器尖端的0.1线性调变到与带状波导接合处的1.0，允许有效折射率沿传播方向演变。分析了从10到60微米的不同耦合器长度和轮廓，包括侧向锥形和垂直锥形。最佳数值结果来自50微米的次波长光栅耦合器，采用两步骤线性宽度锥形，在1.55微米波长对于标准单模光纤达到理论耦合效率76.1%(-1.2dB)。
实验验证随后使用硅绝缘体平台进行。一个实作使用260nm硅厚度、2微米埋氧层和2微米SU-8聚合物顶部包层。次波长光栅周期从耦合器边缘的400nm调变到与带状波导接合处的200nm，同时将宽度从350锥形到450nm。锥形包含两个部分：低限制部分具有完全蚀刻的间隙，其长度从200线性减少到170nm，接着是具有恒定100nm间隙长度的部分，间隙部分填充硅桥接元件。在1.55微米波长使用2微米腰部的透镜单模光纤，平均实验耦合效率对TE偏振达到81.3%(-0.9dB)，对TM偏振达到75.9%(-1.2dB)。由于次波长光栅的非共振现象，传输频带在超过100nm的范围内保持近乎平坦。
图4：次波长光栅波导的扫描电子显微镜影像，插图显示次波长光栅波导(蓝色曲线)和标准带状波导(红色曲线)的TE偏振色散图，有效折射率为2.65，展示在远离带隙共振时的良好匹配。改良设计提升了性能并降低了偏振相依损耗。在标准220nm硅绝缘体上实作的优化结构，具有3微米埋氧层，使用二氧化硅包层。耦合器具有初始低限制部分，具有完全蚀刻的间隙，接着是过渡部分，间隙部分填充硅桥接元件。设计达到220nm的尖端宽度，光栅周期和占空比经过设计，在芯片边缘获得等于3.2微米的光学模场直径。方形尖端基本上消除了偏振相依损耗，仅为0.01dB，仅受限于埋氧层下方硅基板存在而包层上方是空气所造成的残余垂直不对称性。
使用电子束微影制作的样品展示了实验耦合效率89.1%(-0.5dB)，偏振相依损耗极低，低于0.05dB。具有小尖端宽度偏差的设计达到了更好的性能：负20nm偏差导致91.2%(-0.4dB)的耦合效率且偏振相依损耗可忽略不计，而正30nm偏差对TE偏振达到92.9%(-0.32dB)的耦合效率，偏振相依损耗为0.5dB。当固定光纤位置(如在光电子芯片封装时发生的情况)时，必须在TE和TM热点之间选择折衷位置，降低了耦合效率但保持了偏振独立性。
04.光栅耦合器基础
光栅耦合器代表最流行的垂直耦合解决方案，光束从芯片顶表面透过适当设计的绕射结构耦合，这些结构修改入射光束的k矢量方向。这些结构展现出几个优势：相对于边缘耦合器具有相对宽松的定位公差、易于光刻制作，以及与多点晶圆表征的兼容性。然而，简单的实作显示出固有的偏振和波长敏感性，需要仔细设计和优化来减轻这些限制。
基本的硅绝缘体晶圆结构包括厚硅基板、底部埋氧层、薄硅层以及可选的顶部氧化层。光栅耦合器可以实作为暴露于空气的光栅沟槽或涂覆顶部氧化层。标准电信应用使用单模光纤SMF-28，在1.55和1.31微米波长下分别显示低于0.18和0.32dB/km的衰减系数，对应的模场直径为10.4和9.2微米。
图5：(a)SMF-28光纤的横截面示意图，显示位于125微米包层中心的8.2微米光纤核心，波导1.55微米波长的10.4微米模场直径模态。(b)、(c)、(d)、(e)分别为平面抛光、角度抛光、透镜型SMF-28光纤以及超高数值孔径光纤与SMF-28熔接的侧视示意图，显示热膨胀的绝热锥形。当SMF-28切面为平面抛光时，光纤模态发散到空气中，具有近乎完美对称的高斯2D轮廓和0.12的数值孔径，给出约50微米的瑞利长度。或者，SMF-28切面可以角度抛光(通常为40度)以促进光纤到光电子芯片的光栅耦合，在这种几何结构中，光纤模态在倾斜切面上经历全内反射，并以几乎垂直于光纤核心方向的角度离开光纤。SMF-28切面也可以抛光或雷射烧蚀成半球形或圆锥形尖端，将10微米模场直径聚焦到位于光纤端部20-40微米处的2-4微米直径"热点"。在焦点处，聚焦的光纤模态与边缘耦合型硅绝缘体平台中通常使用的3μm×3μm氮化硅点尺寸转换器提供改善的模态重叠。
光栅耦合器中的周期性折射率变化能够在入射到光栅结构上的近垂直光学模态与光电子芯片水平面中的硅波导之间进行相位匹配。对于折射率变化仅沿光传播方向发生的一维光栅，布拉格条件描述了这种相位匹配。关键设计参数包括光栅周期、填充因子(未蚀刻齿长度与光栅周期的比率)和蚀刻深度。电信和数据通信光子应用的标准光纤是SMF-28，作为大多数光栅耦合器设计的主要耦合目标。
图6：用作输出耦合元件的一维光栅耦合器示意图，显示硅层厚度、埋氧层、蚀刻深度和光纤核心的正确相对比例。通用光栅耦合器的性能由三个关键参数决定。方向性表示向上绕射到光纤的光功率与光栅之前沿积体波导传播的光功率之比。反射率表示反射回波导的光功率与从波导入射到光栅耦合器的光功率之比。整体耦合效率表示耦合到基本光纤模态的光功率与沿波导传播的光功率之比。互易定理确保对于单模波导和光纤，输出配置(光从光电子芯片波导传播到光纤)的耦合效率等于输入配置(光从光纤耦合到光电子芯片波导)的耦合效率。
05.先进光栅耦合器设计
在220nm硅绝缘体平台上实作的标准均匀光栅耦合器，具有2微米埋氧层，对于约70nm的浅蚀刻深度和接近0.5的填充因子，通常达到的最大耦合效率低于60%。这种有限的性能源于较差的方向性以及指数衰减的光栅绕射场分布与基本单模光纤模态的高斯场分布之间不充分的模态匹配。
渐变光栅耦合器透过设计光栅结构以产生匹配光纤模态的高斯强度分布，显著改善了性能。Taillaert等人的开创性工作展示了沿光栅方向根据特定分布改变填充因子可以重塑输出光束的空间轮廓。从均匀光栅设计开始，调整每个光栅周期的填充因子，使每个单元提供所需的耦合强度系数以产生高斯输出光束。
设计过程首先选择均匀光栅耦合器，光栅周期选择为在特定绕射角度下的目标波长获得耦合，蚀刻深度定义为达到最大耦合强度系数。然后从0到1扫描填充因子参数以构建耦合强度与填充因子曲线。使用这些结果，在每个光栅周期中调整填充因子，使每个单元提供所需的耦合强度。虽然这种方法与均匀光栅相比显著改善了模态重叠，但使用遗传算法的进一步数值优化可以将耦合效率从约75%提高到97%的模态重叠。
一个高度成功的设计在220nm硅绝缘体上实作，具有925nm埋氧层，达到了渐变光栅耦合器的实验验证。结构分为两个部分：初始的13元件渐变部分，接着是均匀部分。在渐变部分，填充因子根据设计的分布变化而周期保持恒定，接着是具有相同周期和恒定填充因子的均匀光栅。虽然具有两对分布式布拉格反射器底部镜的理论耦合效率达到92%，1dB频宽为35nm，但制作需要窄至30nm的沟槽，呈现出光刻挑战。
图7：高斯输出光束和根据理想方程式计算的对应耦合强度分布α(z)。虚线曲线显示使用遗传算法数值优化后模拟的结果输出。图8：优化的非均匀SOI光栅耦合器的耦合效率频谱，显示有(连续线)和没有(虚线)两对分布式布拉格反射器底部镜的性能。几种技术增强了光栅耦合器的方向性。使用分布式布拉格反射器结构或金属层的底部反射器可以回收向基板绕射的光。在埋氧层中实作非晶硅/二氧化硅分布式布拉格反射器达到了69.5%的耦合效率，1dB频宽为36nm。金和铝背反射器同样改善了效率，使用翻转芯片接合或背面基板蚀刻进行金属沉积。这些方法通常达到约69%的耦合效率。
多晶硅覆盖层代表另一种方向性增强技术。在光栅结构上沉积多晶硅增加了光栅顶部齿和沟槽之间的折射率对比。当覆盖层厚度和蚀刻深度优化为在向上传播期间对连续沟槽和齿绕射的光束贡献施加π相移时，可以达到85%的方向性。理论研究预测均匀配置的耦合效率为66%，在满足深紫外线光刻要求的同时，经遗传算法优化后为78%。
线性渐变技术提供了替代优化方法。这些方法将填充因子作为从光栅起点距离的函数线性减小，同时改变每个散射单元的光栅周期以满足给定波长和绕射角度的布拉格条件。这种填充因子和周期的同时优化与恒定周期方法相比，能够沿整个光栅长度实现更好的相位匹配。最近在260nm硅绝缘体平台上的展示达到了实验耦合效率81.3%(-0.9dB)，1dB频宽约为39nm，代表了在没有背反射器或覆盖层的硅绝缘体平台上的最佳实验结果之一。
06.2D光栅耦合器
2D光栅耦合器为光纤模态偏振状态未知或不稳定时的光纤到光电子芯片耦合提供解决方案。最简单的形式中，2D光栅耦合器可以视为两个正交方向的一维光栅的叠加，每个将光从光纤模态耦合到硅绝缘体表面上的TE偏振波导模态中。输入光纤模态的任何任意偏振状态都可以投影到2D光栅耦合器上作为一对正交模态，每个相对于其中一个一维光栅为TE偏振。随着偏振状态变化，各个光栅耦合的功率比例会改变，但耦合到两个光栅的总功率保持几乎恒定。
实际上，两个一维光栅的叠加创建2D光栅耦合器导致的结构与光子晶体阵列高度相似，圆柱形特征部分或完全蚀刻到硅绝缘体层中。当光子晶体阵列的能带结构在目标波长与光纤模态的光线相交时，2D光栅耦合器提供高耦合效率。对于任意偏振状态，来自输入光纤模态的某些功率分数会耦合到2D光栅耦合器的两个臂中。
透过部分蚀刻圆柱形特征实现的简单均匀2D光栅耦合器的关键设计参数包括硅层厚度、蚀刻深度、孔半径和光栅间距。将2D光栅耦合器参数化为半径与间距比很有用，因为这与一维光栅中的占空比相关，并且通常受到硅绝缘体光电子芯片制作的光刻公差限制。使用3D有限差分时域模拟进行系统参数扫描，允许构建耦合效率等高线图，识别最佳设计参数。
对于220nm硅绝缘体2D光栅耦合器，最佳设计具有120nm的蚀刻深度和0.3的半径与间距比(半径185nm，间距635nm)，提供48%的总耦合效率。在制作元件上进行的量测显示实验耦合效率为42%(-3.75dB)，3dB频宽为43nm。增加硅层厚度进一步提高了耦合效率。使用400nm硅层(220nm硅层上方的180nm多晶硅)的最佳2D光栅耦合器，在蚀刻深度291nm、半径167nm和间距584nm时达到65%的总耦合效率。这种厚硅层设计提供了38nm的1dB频宽和0.3dB的偏振相依损耗。
造成折射效应的光纤倾斜角也在电场投影到2D光栅耦合器上引入了轻微的不对称性。这对某些偏振状态产生垂直电场投影，但对其他状态则没有，在平均总耦合效率周围引入称为偏振相依损耗的轻微振幅变化。对于标准均匀2D光栅耦合器，平均总耦合效率47.9%、偏振相依损耗0.3dB代表典型性能。
在2D光栅耦合器下方添加底部反射器可大幅提高耦合效率。使用CMOS兼容制程在底部埋氧层表面沉积反射元件。在透过选择性硅基板蚀刻到埋氧层下侧打开高纵横比沟槽后，可以沉积铝片。替代方法使用创建分布式布拉格反射器的多层介电薄膜。优化埋氧层厚度控制反射模态是否与硅耦合器层中的输入模态建设性或破坏性干涉。在最佳埋氧层厚度2175nm下，最近的报告展示了在1.55微米波长下80%的耦合效率，蚀刻深度设为80nm、硅厚度160nm、半径209nm和间距696nm。使用接合金镜的实验展示达到了66.1%(-1.8dB)的耦合效率，1dB频宽为32nm。
07.封装与组装技术
光子封装必须为安全的光学连接提供适当的稳定机械支撑，以及直流和高速电子连接，通常还需要热稳定元件如热电冷却器。由于紧密的空间和角度公差，光纤到光电子芯片的耦合应该是实际封装中的最后组装步骤。在对光纤到光电子芯片耦合进行系统优化之前，寻找首光条件通常需要将光纤阵列定位在距离光电子芯片100微米以上，以利用光纤模态发散产生的较大光点尺寸。
环氧树脂在光子封装中扮演关键角色，提供机械稳定性并作为折射率匹配层，可以与应用于光电子芯片的抗反射涂层相互作用。在固化期间，环氧树脂会发生收缩，大多数UV固化光学环氧树脂表现出0.4%到1.5%的收缩，而纯"机械"环氧树脂显示约0.08%的收缩。这种收缩对不同的耦合配置产生不同的影响。多通道光栅耦合器方案受到的影响最小，因为收缩将光纤阵列拉向光电子芯片表面，改善耦合同时提供大接触面积以实现机械稳定性。单光纤边缘耦合器可以使用提供应力释放的副安装座，光纤的柔韧性足够，因此固化不会改变耦合效率。
然而，由于光纤阵列的刚性，多通道边缘耦合面临挑战。如果先固定界面，然后填充光纤阵列以将其机械固定到基座上，固化力可能大到足以将其拉出对准位置。目前最先进的封装技术将光纤阵列放置在透明玻璃副安装座上，在副安装座和光电子芯片的副安装座之间使用低收缩环氧树脂来固定对准。这种方法扩大了稳定连接的接触面积，同时将收缩方向导向耦合器，有潜力改善效率。
光栅耦合器和边缘耦合器之间的对准公差有显著差异。对于针对10.4微米模场直径设计的光栅耦合器，在水平和垂直方向约2.5微米的位移会导致1dB耦合效率下降。对于模场直径3.5微米的边缘耦合器，在水平方向约0.8微米和垂直方向约0.5微米的位移会导致1dB效率下降。边缘耦合的这些更紧密公差需要更精确的对准程序。
对于光纤阵列和芯片上耦合结构阵列之间的多通道耦合，准确的滚转角对准对于确保高耦合效率和低通道间变化至关重要。不同光纤通道之间的滚转相关位移可以估计为通道数减一、间距和光电子芯片与光纤阵列切面之间相对角度的正切值的乘积。间距减小总是有利于滚转公差，使得最先进的波导阵列到光纤换位器阵列具有15微米通道间距，提供特别宽松的角度公差。光纤阵列的制造公差对耦合效率和通道间变化都引入额外惩罚。
Microlens可以透过在光纤阵列和光电子芯片表面上的光栅耦合器阵列上安装microlens阵列来创建自由空间可插拔光学互连。由于标准光栅耦合器的对准公差约为2.5微米，通过microlens阵列准直后光束腰增加10倍，相对定位公差以相同因子放宽到30微米。这个足够大的公差允许使用标准制造技术和模制塑料系统进行组装。
Photonicwirebonds代表边缘耦合的最新创新，使用高数值孔径透镜聚焦飞秒雷射脉冲串的负性单体抗蚀剂的双光子聚合。双光子光刻制程允许以优于用于雷射书写的波长绕射极限的位置和横截面精度定义光子线接合。光子线接合在单体中进行雷射书写，透过精确控制和聚焦透镜的3D平移，沿着计算的轨迹追踪雷射焦点。由于光子线接合书写制程允许起点和终点之间的动态路由，只需要约50微米的粗略光纤到光电子芯片预对准即可确保高耦合效率。光子线接合由于材料成本低且不需要主动光纤到光电子芯片对准而成为具吸引力的封装技术，因此目前正投入大量研究工作开发适合大量制造应用的快速书写高性能光子线接合制程。
硅基光电子光纤到芯片耦合领域持续快速发展，边缘耦合器目前在耦合效率、频宽和偏振独立性方面比光栅基础配置提供更好的性能。然而，光栅耦合器在晶圆级测试兼容性和制作简便性方面提供显著优势。最佳耦合技术的选择必须考虑特定应用需求，包括频宽要求、可接受的偏振相依性、封装成本和预期生产量。目前的趋势强调设计可使用标准CMOS兼容材料和制程制作的高效率耦合器，同时开发对于进入高产量市场至关重要的晶圆级测试和封装策略。
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