0 引言

      绝缘体上硅（SOI）对光信号具有较强的束缚能力，并且与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术兼容，是实现大规模光子集成或光电混合集成的理想平台，市面上已出现多种基于SOI的高性能无源光器件，比如光滤波器、光开关、光耦合器等[1-2]。其中，光耦合器是连接片外光源和片上器件的重要桥梁，受到了广泛的关注。

      典型的SOI光波导的横截面积是500 nm×220 nm，标准单模光纤的模场直径是10 μm，两者的形状和尺寸均存在较大偏差，若两者直接进行光信号交换，会产生严重的模式失配损耗和耦合损耗，影响系统性能。为了提高SOI光波导器件的实用性，需要设计高性能的光耦合器，如反向锥形边缘耦合器和光栅耦合器。其中，光栅耦合器具有位置灵活、对准容差大、无需界面抛光工艺等优势，因而可以进行晶片级的测试，同时降低成本。一维光栅耦合器因具有较高的耦合效率而被广泛使用和研究[3]。然而，一维光栅耦合器的耦合效率与输入信号的偏振态相关，即在不同偏振模式之间存在显著的双折射现象，会引起较大的偏振相关损耗（PDL），限制了一维光栅耦合器的应用场景。为了实现偏振无关特性，文献[4-5]设计了新型的一维光栅耦合器，但由于SOI光波导本身存在显著的双折射效应，且SOI光器件通常工作在单一偏振模式下，增加了设计的复杂性和增大了器件尺寸。为了解决这个问题，文献[6-7]提出了二维光栅耦合器（2D-GC）。2D-GC可以耦合光纤模式中的任意偏振光，将P偏振和S偏振转换成2个相同的波导偏振模式（如TE模式）。文献[8-9]提出了二维光栅的垂直耦合方案，但是该方案会引起严重的二阶反射，二阶反射会对器件性能造成影响，因此基于二维光栅的垂直耦合方案的应用受到限制。为了避免二阶反射，最直接的办法是采用二维光栅的倾斜耦合方案[11-13]，但是该方案会产生较大的PDL。为了减少PDL，研究人员提出了多种优化方案，包括使用相移器的有源方案[10]、优化光栅单元的刻蚀图案[11-12]、采用倾斜光栅单元阵列[13]等。其中，随着制造精度的提高，优化光栅单元的刻蚀图案成为了一种广泛采用的解决方案。虽然这些方案优化了2D-GC在C波段（1 530~1 565 nm）的PDL和耦合损耗，但依然有进一步改善的空间。

      本文提出一种应用于C波段的基于SOI材料的新型2D-GC，通过引入和优化多维度的设计参数，有效降低2D-GC的耦合损耗和PDL。

3 结束语

      本文提出了一种应用于C波段的2D-GC，由四孔交错菱形排布的晶胞单元周期排列构成。分别对所提2D-GC的光栅周期p、圆孔刻蚀深度Hetch、刻蚀圆孔的相对位置d1和d2、刻蚀圆孔半径r1和r2进行了优化，有效降低了2D-GC的耦合损耗和PDL。仿真结果表明：本文提出的2D-GC在1 540 nm处的耦合损耗为-2.4 dB，C波段的PDL低于0.2 dB，1、3 dB带宽分别是36、58 nm，且温度对2D-GC 的CL和PDL影响不大。