用于中红外波段的光栅耦合器研究+文献综述(3)
，但是相
比之下SOI 平台是更有希望的 PIC实现方案。这主要是因为，SOI 波导中芯层材料硅
与包层材料二氧化硅的折射率相差很大（ 2 n ∆≅ ） ，这为实现纳米光波导与大规模集
成光器件提供了可能。而且， SOI平台的生产工艺与集成电路的CMOS工艺完全兼容，
发展这种技术能在借鉴成熟微电子技术的同时开发出融合电逻辑单元与光传输单元
的光电子集成回路。此外，混合集成平台、锗硅平台等一系列硅基兼容技术的出现也
使得 SOI 平台克服了难以制造有源器件的软肋。
由于硅与二氧化硅的高折射率差，SOI 平台主要具有以下特点：
(1) 极强的光场约束能力，因而能缩小器件尺寸，提高集成度，减小弯曲损耗，但是
却带来了光纤与光波导耦合的困难，即所谓的模斑匹配问题；
(2) TE0 模与 TM0 模的有效折射率相差很大，因而具有强偏振敏感性，一般应用于有
偏振控制的单偏振系统中[9]
；
(3) 波导芯层光强高，适合非线性效应的应用。
鉴于上述原因，本论文旨在讨论SOI 平台下解决光集成中光纤与光波导耦合这一
关键问题的光栅耦合器。
1.2 模斑匹配与光栅耦合
上一节已经提到，虽然 SOI 波导的高折射率差带来了器件小型化等诸多优势，却
不利于光纤与光波导的耦合。一个可用的系统必须能够与外界交换信息，集成光路也
不例外，而光集成芯片最主要的输入输出（I/O）接口使用的是光纤连接，因此光纤与
光波导的耦合是一个不可避免的问题。
常用的单模光纤（SMF28）在 1550nm λ = 处的模场直径（MFD）大约为 10.4μm，
而强限制硅波导的模斑尺寸却只有几百纳米。此外，单模光纤的光场近似成如下高斯
分布[10]
式中，E(0)为纤芯中心的场强，2w0 是场强下降到 E(0)/e 的模场宽度，即为MFD。而
SOI 条形波导的基模场分布却不是圆对称的。模斑尺寸、模场分布的巨大差别造成了
光纤与 SOI 光波导传播模式间的模斑失配，如果采用直接对接耦合（butt-coupling），
其耦合损耗将大到无法接受。
波导与光纤耦合的有效解决方案必须满足以下条件[11]
：高紧凑性，低插入损耗，
高对准容差以及带宽工作。 为此， 人们主要提出了两类方案：侧向耦合（lateral coupling）
和垂直耦合（vertical coupling）。对于侧向耦合，常见的方法有：将光纤熔融拉锥或打
磨成圆锥耦合；在光纤端面和芯片端面间插入微透镜（microlens），利用其会聚作用
缩小光斑，然而微透镜的组装对准难度大，抗震能力差；使用高聚物包覆的反向锥形
波导耦合（见图 1. 2（a） ），其耦合损耗已低于 1dB[12, 13]
，然而这种方法需要晶片解
理、端面打磨等繁琐操作，还需要较高的对准精度，成本高昂；最近，有研究团队还
提出了一种使用镀减反膜的非对称 GRIN 透镜的耦合方式（见图 1. 2（b） ），其耦合
效率高达 90%[14]
。尽管侧向耦合较好地解决了耦合问题，我们仍希望找到一种耦合方
式，这种方式使得光纤能在波导表面的任意位置而不是只能从边缘参与耦合。如图 1.
2（c）所示，利用波导光栅耦合器进行垂直耦合（vertical coupling）的方法（近似垂
直）就符合这样的要求，它通过锥形波导将模斑侧向展宽，并通过光栅衍射将光斑沿
传播方向展开。此方法无须晶片端面处理，也具有较大的对准容差（详见第 4 章 ）。
由于光可从芯片表面任意位置耦合，光栅耦合器还可用于晶片级的片上测试系统。此