0 引言

　　集成光子技术作为延续摩尔定律的发展方向之一，通过光代替电进行信息传输与调控，能够提高信号传输效率，成为近年来的研究热点[1-4]。但集成光波导具有较大的折射率差，波导模式尺寸往往在百纳米量级，而常用光纤模场的直径在10 μm左右，两模场之间较大的模式失配，导致耦合损耗高，这成为制约光子集成走向商业化、产业化的挑战之一[5]。集成光子芯片光信号的输出与输入主要依赖于2类耦合结构：端面耦合和光栅耦合。端面耦合通过波导将光场传输至芯片边缘，因此合理设计端面耦合器结构将波导模式扩展至与光纤模式相匹配的模式，降低耦合损耗[6-8]。但是，端面耦合器一般具有较高的耦合效率与较大的带宽，其往往需要100 nm左右的波导尖端尺寸，工艺要求高；而且，由于其光场只能由芯片边缘输入输出，这对芯片边缘的处理工艺与封装技术均有较高的要求。光栅耦合器目前受到广泛关注，其主要有以下优点：通过周期性光栅结构就能将光场有效衍射至芯片外部，实现离面耦合；可以实现芯片任意位置光场的输入输出和无划片条件下晶圆级性能检测；对工艺要求低，制备容差高，且封装简单，适合集成光子芯片的大规模产业化[9-12]。

    绝缘衬底上的硅（SOI）平台光栅耦合器的研究已较为成熟，通过合理设计光栅结构与加入反射层等技术，SOI平台光栅与单模光纤的耦合损耗可降低至1.25 dB[9]。近年来，另一种光子集成平台——氮化硅光子集成平台，由于其极低的传输损耗与较高的功率承载力，被广泛应用于非线性光学与光频梳产生等领域[13-15]。氮化硅光子集成平台在保证适当集成度前提下，能够极大地降低波导损耗，如文献[16-17]的氮化硅波导损耗已降低至1 dB/m。另外，不同于硅材料，氮化硅材料本身不具备双光子吸收，因此能够承载更高的光功率。然而，现今氮化硅光栅耦合器方面的研究较少，且由于其较低的折射率差，导致氮化硅平台光栅耦合器的耦合损耗很难降低。为降低氮化硅光栅耦合器的耦合损耗，科研工作者提出了多种增加光栅耦合器衍射效率的方案。例如，增加光栅区域的氮化硅厚度或直接在氮化硅光栅上制备其它高折射率材料二阶光栅，这种方案能够有效增大光栅栅尺与刻蚀区的有效折射率差，进而增加衍射效率，降低耦合损耗[18-19]。另外，下包层添加金属反射镜也是提高光栅向上衍射效率的常用方案[20]。但这些降低氮化硅光栅耦合器耦合损耗的方案均对工艺提出了较高的要求，使得其很难应用于氮化硅集成光子平台的光栅制备。

　　另外，为实现与光纤的高效率耦合，光栅宽度一般达到与光纤模场近似的尺寸，需要设计渐变波导实现从单模波导到光栅平板波导的模式转换。若要保证较低的模式转换损耗，往往需要100 μm以上的渐变波导长度，这极大地增加了光栅耦合器的尺寸。为了克服此问题，聚焦光栅耦合器[21] 应运而生，经过光栅耦合器衍射的光可以聚焦于波导处，实现光纤到波导的高效耦合。本文在聚焦光栅耦合器基础上，对光栅周期、刻蚀深度、占空比和下包层厚度进行了仿真优化，并于联合微电子中心有限责任公司（CUMEC）氮化硅平台完成光栅耦合器的制备。

4 结束语

　　本文成功设计并制备了与CMOS工艺兼容的低损耗、小尺寸氮化硅基聚焦光栅耦合器。通过对光栅耦合器多个关键参数进行仿真计算，包括周期、刻蚀深度、占空比与下包层厚度等，有效地降低了氮化硅光栅耦合器损耗，解决了小折射率差的氮化硅平台光栅耦合器损耗较高的问题。另外，为解决常规一维光栅尺寸较大的问题，本文采用了聚焦光栅结构，有效地将光栅尺寸缩小至50 μm×40 μm。设计的氮化硅聚焦光栅采用CUMEC 超低损耗氮化硅平台完成制备。经测试，氮化硅光栅耦合器损耗最优值为4.48 dB，对应波长为1548 nm，1 dB带宽大于45 nm。由于考虑了与CMOS工艺的兼容性，本文的设计工艺较为简单，但其耦合损耗性能不如已报道的复杂工艺氮化硅光栅耦合器。耦合损耗方面尚有不足。