0 引言

     由于绝缘体上硅（SOI）与互补金属氧化物半导体（CMOS）的制备工艺具有良好的兼容性和实现高集成度光子、光电芯片的发展潜力[1-2]，使得基于集成光路的片上/片外耦合器被广泛研究与应用[3]。基于单模光波导的横截面通常为500 nm×220 nm[4]，而标准单模光纤的直径约为10.4 μm，两者的形状和尺寸都存在很大的差异，导致光信号在两者之间传输时产生的耦合损耗较大[5]。目前，降低耦合损耗常见的方式有2种：平面内（对接）边缘耦合[6-8]和平面外垂直耦合[9-11]。其中，平面内边缘耦合的效率通常较高[7]，且对准精度要求很高，即光纤和波导必须置于同一水平面并确保双方中心对准，同时还需要锥型的单模光纤才能保证足够的耦合效率（CE）[12]；平面外垂直耦合则可以容忍较大的对准公差，但其CE相对较低，且对偏振比较敏感[13]。

      垂直耦合的核心器件通常是光栅，光栅的结构分为一维光栅和二维光栅。一维光栅耦合器（1D-GC）结构较为简单，但偏振相关性较强[14-15]，无法用于处理偏振态随机变化的光信号。尽管文献[16-18]已经提出了偏振不敏感或偏振分束的1D-GC，但大多数硅光子集成芯片（PICs）是为横电波（TE）模式设计的，因此1D-GC需要添加额外的偏振旋转器，这不仅使PICs的设计复杂化，而且会增大PICs的面积。文献[19-24]使用了2个正交的1D-GC组合而成的二维光栅耦合器（2D-GC）来解决偏振相关性问题，同时在2D-GC上端使用具有一定倾斜角度的非垂直入射光源减少二阶反射，从而提高CE。2D-GC能处理任意偏振态的输入光信号，并以TE偏振态输出至后续的光器件，即同时实现偏振的分束和旋转[25-29]。但是，倾斜耦合也会直接导致S偏振和P偏振之间的耦合谱位移，造成偏振相关损耗（PDL）较大。为减小PDL，2009年，VAN F等人[30]提出结构紧凑的基于聚焦光栅结构的2D-GC，其长度为普通非聚焦2D-GC的18，且PDL低于0.4 dB，但其耦合损耗较大，为-5.68 dB（CE为27%）。2017年，SOBU Y等人[31]提出基于十字型单元图案的2D-GC，其耦合损耗为-4.03 dB（CE为39.5%），PDL小于0.5 dB，该方案在调试过程中相对简便，但器件性能还需要改进和提高。2021年，ZHANG Z等人[32]提出了具有热光相位延迟线的有源结构的2D-GC，该2D-GC的耦合损耗为-1.87 dB（CE为65%），PDL小于0.2 dB，但附加的有源结构增加了系统设计、制备和调试的复杂性。 为了解决以上问题，本文提出一种基于SOI的类梅花型2D-GC。

3 结束语

      本文提出了一种基于SOI的类梅花型2D-GC，该光栅耦合器由多个类梅花型图案的晶胞周期排列而成。采用了倾斜耦合方式减小偏振光的二阶反射，并通过优化结构中的光栅周期p、刻蚀半径R1和R2以及刻蚀深度E，有效地减小了2个偏振耦合谱线的偏移。仿真结果表明：所提出的2D-GC在有效工作波段为1.525~1.6 μm时，最大的耦合损耗约为-2.4 dB，PDL为0.18 dB。相较于已报道的大多数2D-GC，本文提出的2D-GC具有较高的CE和较低的PDL，更好地实现了硅光子片上系统与片外系统的信息交互，且结构简单，有利于降低工艺复杂度。但本结构设计也存在一些局限，由于均匀光栅为指数衰减的衍射模场，而光纤呈模场高斯分布，二者之间重叠积分受到很大的限制，CE相对不高，因此在未来的工作中需要打破光纤与光栅模场失配的局限，考虑采用非均匀光栅耦合器解决这一难题。