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基于L形波导和工程化亚波长超材料的亚分贝硅光栅耦合器

DOI：10.1364/OE.27.026239 期刊：Optics Express 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 实现低损耗光接口以连接标准光纤与高折射率对比硅波导，对芯片集成纳米光子学的发展至关重要?；谘苌涔庹さ氖淙?输出耦合器是极具吸引力的解决方案。然而，采用布拉格反射镜或金属镜底层、低/高折射率覆盖层以及多级/多层结构的先进光栅耦合器设计，因定制化工艺复杂而实用性有限。本研究提出一种结构更简单的片外光纤高效耦合器设计方案，在1.55微米波长下模拟效率可达95%（-0.25分贝）。该光栅耦合器采用L型波导轮廓与合成超表面亚波长光栅构成，通过联合调控实现光栅方向性与辐射场模式的自由度同步优化。所提出的芯片-光纤耦合器在保持亚分贝级稳健耦合性能的同时，器件尺寸（>120纳米）兼容现有硅基纳米光子代工厂的标准光刻技术。研究还考察了工艺容差：浅刻蚀深度±15纳米、线宽±10纳米及掩模偏移量在1分贝损耗范围内均可接受。该通用设计方案为开发可靠低成本光耦合器奠定了基础，我们认为具有亚分贝耦合效率的L型光栅耦合器研究，将成为集成纳米光子学中硅芯片接口的重要发展方向。
作者： DANIEL BENEDIKOVIC，CARLOS ALONSO-RAMOS，SYLVAIN GUERBER，XAVIER LE ROUX，PAVEL CHEBEN，CéCILIA DUPRé，BERTRAND SZELAG，DAIVID FOWLER，éRIC CASSAN，DELPHINE MARRIS-MORINI，CHARLES BAUDOT，FRéDéRIC BOEUF，LAURENT VIVIEN
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

开发高效的片外光纤耦合器，通过采用L形波导结构和合成的亚波长光栅超材料，在标准光纤与高折射率对比硅波导之间实现高耦合效率。

研究成果

所提出的采用亚波长超材料的L形光栅耦合器为硅光子学中高效的芯片-光纤耦合提供了一种极具前景的解决方案，具有高耦合效率且与现有制造工艺兼容。该设计对制造缺陷具有鲁棒性，适合大规模生产。

研究不足

该研究承认存在制造缺陷，在浅蚀刻深度上允许±15纳米的尺寸偏差、线宽上允许±10纳米的偏差以及掩模未对准，这些情况下会产生1分贝的损耗代价。该设计需要对制造过程进行仔细控制以保持高效率。

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