近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授和劉鐵根教授課題組，以及深圳大學的王佳琦助理教授、香港中文大學的曾漢奇教授合作研究開發了一種短波中紅外高容差亞波長光柵耦合器，成果以“Relaxed-tolerance subwavelength grating coupler”為題，2023年1月29日發表在《Optics & Laser Technology》期刊上。

短波中紅外光子學在光通信、光測距和光傳感等領域具有廣泛的應用前景。首先，隨著數字化產業的蓬勃發展，通信網絡中的數據量持續增長，光通信帶寬正逐漸逼近1.55微米波段光纖數據傳輸的理論極限，2微米波段光通信是一個熱門的研究方向；其次，2-2.5微米波段幾乎不與水汽分子在1.7-2.0微米和2.4-3.3微米波長的吸收光譜區重疊，為自由空間光通信和激光雷達應用提供了低損耗的大氣窗口；并且，2-2.5微米波長的光子能量對應于氣體分子的本征振動能級躍遷，為開發用于環境檢測、工業安全的光學氣體傳感器帶來了巨大的機遇。

另一方面，由于硅和二氧化硅材料對短波中紅外光的吸收較弱，用于開發的傳統光通信硅基光子器件的多項目晶圓（Multi-Project Wafer, MPW）工藝，可以方便的轉移到短波中紅外波段，用于低成本的開發高質量、高密度的硅基光子集成回路。其中，光柵耦合器是光子集成回路中的關鍵器件之一。過去的研究表明，在短波中紅外波段，可以基于MPW工藝開發亞波長光柵結構，提高能量耦合效率。然而，亞波長光柵耦合器對器件的制造誤差比較敏感。因此，開發與MPW工藝兼容的、高容差的、亞波長光柵耦合器件是一個有意義的研究課題。

在本項工作中，研究者們研發了一種高容差亞波長光柵耦合器(Relaxed-Tolerance Subwavelength Grating Coupler, RTSWG)，分析了亞波長光柵耦合器的加工制作可重復性。如圖1a所示，所研發的耦合器件設計在220 nm頂層硅的硅-絕緣體晶圓上，由周期性排列的孔狀結構構成。

在X方向上，每個光柵周期內具有兩個亞波長孔結構，用以克服傳統亞波長光柵耦合器對制造誤差引起的折射率變化的敏感性問題。同時，雙孔亞波長結構也可以更加靈活的裁剪光柵耦合器的有效折射，優化光柵耦合器的耦合效率。圖1b和1c比較了所設計的高容差亞波長光柵耦合器和普通亞波長光柵耦合器性能對加工制作誤差的容忍度。理論結果顯示，高容差亞波長光柵耦合器件在中心波長飄移和相對耦合效率等方面均具有一定的提升。

圖1.短波中紅外高容差亞波長光柵耦合器示意圖與仿真結果。(a)高容差亞波長光柵耦合器的示意圖；(b)中心波長偏移隨y方向上孔大小變化的曲線。(c)相對耦合效率隨y方向上孔大小變化的曲線。

高容差亞波長光柵耦合器和普通亞波長光柵耦合器的實驗測量結果如圖2所示。圖2a為高容差亞波長光柵耦合器的實驗測量與三維時域有限差分（Three Dimensional Finite-Difference Time-Domain method, 3D FDTD）的數值仿真結果。結果可知，高容差亞波長光柵耦合器在中心波長2038 nm處具有-6.2 dB的耦合效率以及約30 nm的1 dB耦合帶寬。

圖2b顯示了普通亞波長光柵耦合器在中心波長2038 nm處具有-8.7 dB的耦合效率以及約40 nm的1 dB耦合帶寬。與普通亞波長光柵耦合器相比，高容差亞波長光柵耦合器的性能具有一定的提升，并具有更好的加工可重復性。

圖2.高容差亞波長光柵耦合器和普通亞波長光柵耦合器在短波中紅外的實驗測量和3D FDTD數值仿真結果。(a)高容差亞波長光柵耦合器。(b)普通亞波長光柵耦合器。

審核編輯：劉清