CN113835158A - 自由空间光与光子芯片端面耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法，包括：将至少一个端面耦合器设置于超透镜的焦距处；通过所述超透镜将自由空间光汇聚到所述端面耦合器的收光口；通过所述端面耦合器将与其收光角度、方向和波导模场匹配的光耦合进端面耦合器的波导；上述方法能够解决现有技术中自由空间光与波导的端面耦合受能量分散、角度失配、模场失配、光栅或者端面耦合器模斑尺寸小等影响，被芯片的耦合器件采集到的自由空间光功率非常低等技术问题。
Description
技术领域
本公开涉及微纳光学技术领域，尤其涉及一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法。
背景技术
后摩尔时代的信息技术已经成为国际社会关注的焦点。硅光子芯片技术，结合了微电子技术的超大规模、超高精度制造和光子技术超高速率、超低功耗的优势，被认为是最具潜力的高效率、低成本片上解决方案。光耦合是光子芯片的关键核心技术，目前面临耦合效率低、集成困难的问题。这主要是因为波导尺寸小、与光纤或者自由空间光存在模式难以匹配的问题，导致耦合损耗非常大。因此，需要发展光耦合技术以实现无损耦合，保证光发射、传输与探测间的高效衔接。
入射光与光子芯片的耦合主要有两种方式。一种是光纤-波导耦合，另一种是自由空间光-波导耦合。两者的目标都是将光尽可能多的耦合进光波导。前者主要用于数据通信与处理过程中信号的接收与发射；后者通过接收自由空间光用于物光成像、天文观测、激光雷达探测等。
光纤与波导耦合应用最广泛的方式有两种：端面耦合与光栅(垂直)耦合。端面耦合在波导端通过模斑转换器将单模波导的模场扩大，在光纤端将单模光纤进行拉锥形成锥形透镜光纤，使得光纤模场变小，从而实现波导和光纤的高效耦合。这种耦合方式通常能提供较高耦合效率、较大耦合带宽和较低偏振敏感性。目前报道的最优设计在实验上能实现两种偏振态的最高效率均高于-0.25dB(94.41％@1550nm)，且1dB带宽约100nm，但它需要相对复杂的制造工艺，模斑转换器往往需要百纳米以下的曝光工艺，对光刻/电子束曝光机的精度要求很高。组装工艺复杂，需要设计专业的V形槽固定光纤，且要求器件的一端必须在端面处，因此在晶圆级封装与测试方面还面临很多技术难题。光栅耦合则是通过光栅的衍射作用，垂直入射光经端面耦合器转90°耦合进水平方向的光波导或将波导中的光输出到光纤中。相比端面耦合，这一耦合方式效率较低，带宽也相对较窄，且通常具有偏振敏感性。经过优化光栅结构、添加覆盖层或反射层等手段后，理论上能将耦合效率提高到-0.36dB(92.04％@1550nm)。相对来讲，端面耦合器与大批量制造和封装工艺更加兼容，可对硅基芯片任何部分进行晶圆级测试和分析。
然而自由空间光与波导的耦合，不论是端面耦合还是光栅(垂直)耦合，受模场失配问题的影响，效率非常低，因此亟需发展新的耦合技术以提高耦合效率，促进光子芯片及应用系统的研发。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题，本公开提供了一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法，以缓解现有技术中自由空间光与波导的端面耦合受能量分散、角度失配、模场失配、光栅或者端面耦合器模斑尺寸小等影响，能够缓解被芯片的耦合器件采集到的自由空间光功率非常低等技术问题。
(二)技术方案
本公开提供一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法，包括：将至少一个端面耦合器设置于超透镜的焦距处；通过所述超透镜将自由空间光汇聚到所述端面耦合器的收光口；通过所述端面耦合器将与其收光角度、方向和波导模场匹配的光耦合进端面耦合器的波导。
根据本公开实施例，在光子芯片和自由空间光之间设置超透镜阵列与自由空间收光槽阵列。
根据本公开实施例，超透镜阵列与自由空间收光槽阵列设置于衬底上，所述收光槽阵列沿自由空间光传播方向设置。
根据本公开实施例，所述超透镜阵列沿垂直于自由光空间光传播方向设置。
根据本公开实施例，所述收光槽的横截面为半圆形或矩形。
根据本公开实施例，所述超透镜阵列设置于超透镜阵列卡槽中，所述超透镜阵列卡槽垂直于自由光传播方向设置，卡槽深度大于超透镜的半径的一半。
根据本公开实施例，所述收光槽阵列中各收光槽平行设置，相邻收光槽的中心间距大于收光槽的直径。
根据本公开实施例，所述超透镜阵列卡槽的通光口径大于或等于超透镜的口径。
根据本公开实施例，阵列卡槽的制备方法有两种：一是光刻或电子束曝光加刻蚀方法；二是激光加工。
根据本公开实施例，超透镜的通光孔直径大于所述收光口直径，所述收光口直径大于空间自由光经超透镜汇聚后光斑的直径。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开自由空间光与光子芯片端面耦合方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)实现了自由空间光与光子芯片的高效率耦合，端面耦合受偏振、入光角度和入光方向的影响较小，收光能力能够接近理论值(超透镜面积S2/耦合器收光面积S1)，例如300微米直径的超透镜相比3微米的端面耦合器模斑尺寸，收光能力能够提高1000倍；
(2)解决了超透镜与光子芯片端面耦合集成封装的难题，使得光通过端面耦合可以高效的进入到光子芯片中，促进系统级芯片开发和应用，加速了小型、高速、低能耗光子系统(成像探测系统、相控阵激光雷达系统、空间通信系统等)的应用进程。
附图说明
图1为本公开实施例自由空间光与光子芯片端面耦合方法的原理示意图。
图2a为本公开实施例的自由空间光与光子芯片端面耦合方法中采用一个端面耦合器时的原理示意图。
图2b为本公开实施例的自由空间光与光子芯片端面耦合方法中采用超透镜阵列与端面耦合器阵列耦合的原理示意图。
图3为本公开实施例的自由空间光与光子芯片端面耦合方法中超透镜阵列与采用端面耦合器阵列的光子芯片集成封装方案示意图；其中收光槽的横截面为半圆形。
图4为本公开实施例的自由空间光与光子芯片端面耦合方法中超透镜阵列与采用端面耦合器阵列的光子芯片集成封装方案示意图；其中收光槽的横截面为矩形。
图5为本公开实施例的自由空间光与光子芯片端面耦合方法的流程示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法，利用超表面薄膜微透镜(超透镜)增加收光面积提高自由空间光与光子芯片的耦合效率，通过超透镜与端面耦合器的孔径匹配，大幅提高光子芯片的收光能力。
发明人发现，超透镜作为一种人工纳米结构，其能够通过单元结构及排布设计，对空间光场的强度及相位进行调制，从而实现光的汇聚功能。其主要特点是超薄、可设计、可操控、与片上光子器件(波导、耦合器等)尺寸及模场匹配。采用标准光刻、电子束曝光及刻蚀的方法加工，CMOS工艺兼容。超透镜的F数(F＝f/D，D为直径，f是焦距)是决定透镜耦合效率的主要参量，直径D决定了收光面积放大倍数，焦距f决定了汇聚光斑的尺寸。超透镜与芯片集成为自由空间光的高效收集提供了新的解决方案，促进了多种光子芯片如成像芯片、相控阵激光雷达芯片、神经网络芯片、量子芯片的应用进程。
由于被光子芯片的耦合器件采集到的自由空间光功率非常低(由光场在芯片上的能量分布以及器件的耦合面积决定)。因此本公开的技术方案是从增大耦合面积的角度出发，采用人工设计的超表面透镜将自由空间光汇聚到光子芯片上，经端面耦合器进入光波导。利用大口径超表面透镜大幅提高光子芯片的收光能力(收光能力＝超透镜面积S2/耦合器收光面积S1)，并采用折射率匹配光学材料对超透镜与光子芯片进行集成封装是本公开要解决的主要问题。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法，结合图1至图5所示，所述自由空间光与光子芯片端面耦合方法，包括：
操作S1：将至少一个端面耦合器设置于超透镜的焦距处；
操作S2：通过所述超透镜将自由空间光汇聚到所述端面耦合器的收光口；
操作S3：通过所述端面耦合器将与其收光角度、方向和波导模场匹配的光耦合进端面耦合器的波导；
本公开实施例中，超透镜与端面耦合器耦合时，将超透镜放置在端面耦合器前方间距为焦距f的位置处。自由空间光经超透镜汇聚进入端面耦合器的收光口，当汇聚角度和焦斑的尺寸与其波导模场匹配时，光可以被收入。利用超表面薄膜微透镜(超透镜)提高自由空间光与光子芯片的耦合效率，通过超透镜与端面耦合器的收光口的孔径匹配，大幅提高光子芯片的收光能力。使用超透镜后光子芯片的光耦合能力(强度放大倍数)可以提高接近理想中的数值，即超透镜的通光面积S2与光栅耦合器的收光口的面积S1之间的比值。
在本公开实施例中，如图1所示，现有的技术方案中光子芯片接收自由空间光时，由于波导的尺寸小，与自由空间光难以模式匹配，因此光直接进入波导的效率极低几乎为零。波导的收光口通常连接耦合器，例如端面耦合器。端面耦合器的结构类似于将波导拉成锥形，锥形的尖端模场扩大有利于接收更多的入射光(收光口面积为S1)，光耦合效率可以提高到约46％(指的是在S1面积范围内的光有46％可以收进去)。自由空间光近似为面内光强分布均匀的平行光。
在本公开实施例中，如图2a-图2b所示，自由空间光经过超透镜与一个或阵列(图2b)端面耦合器耦合进入光子芯片的方案。超透镜将大面积的光汇聚到焦点，提高了单位面积的光功率密度，因此可以大幅提高耦合光强。如图2a所示，超透镜面积S2与耦合器收光口的面积S1之比决定使用超透镜后光耦合强度的理想最大提高倍数。成像、探测、雷达等系统功能要求光子芯片具有运算功能。芯片中运算功能的实现利用了光的干涉原理，需要多组光子器件的阵列组合与排布。这种情况需要超透镜阵列与光子芯片上波导阵列耦合对自由空间光进行阵列干涉运算。如图2b所示，首先在透光衬底上制备间距为p的超透镜阵列和对应的端面耦合器阵列，然后将超透镜阵列固定在与端面耦合器入光口间距为f的位置处，自由空间光经超透镜阵列将光耦合进光波导。
在本公开实施例中，如图3和图4所示，超透镜与端面耦合器集成封装时，在衬底或外延片上，主要需要设置超透镜阵列卡槽与自由空间收光槽阵列。根据波导间距、阵列周期、超透镜的口径与焦距，设计超透镜阵列卡槽的宽度a、刻蚀深度d1、超透镜到波导端面耦合器的距离l；收光槽的宽度S3、深度d2、间距p等参数。所述收光槽阵列沿自由光传播方向设置，所述超透镜阵列卡槽沿垂直自由光传播方向设置；所述收光槽的横截面为半圆形或矩形。加工时，可以采用光刻或电子束曝光加刻蚀方法，整体需要两步刻蚀：第一步将超透镜阵列卡槽及芯片其他区域用光刻胶或者金属硬掩膜保护起来，对收光槽对应的裸露的区域进行刻蚀。针对不同的衬底材料选择相应的气体(plasma干刻)或者溶液(湿刻)进行刻蚀，刻蚀深度为d2。第二步将超透镜阵列卡槽对应区域暴露出来，其他地方用光刻胶或者金属硬掩膜保护起来，采用相应的腐蚀性气体(plasma)或者液体对阵列卡槽进行刻蚀，刻蚀深度为d1。最后用相应的化学试剂将光刻胶或者金属掩膜溶解去除。或者采用激光加工方法：采用一定脉宽和频率的飞秒或皮秒激光在需要刻槽的地方直接刻蚀。首先刻蚀深度为d2的收光槽阵列，然后沿着收光槽阵列中需要设置超透镜阵列的位置继续刻蚀超透镜阵列卡槽，刻蚀d1-d2的深度，直至超透镜阵列卡槽深度达到d1。超透镜阵列卡槽加工完毕，即可在卡槽底部注入少量胶水或者光刻胶(可固化，可溶)。在透光衬底上制备间距为p的超透镜阵列，然后将超透镜阵列固定在与端面耦合器入光口间距为f的位置处，将带衬底的超透镜阵列插入卡槽，沿超透镜阵列卡槽的方向(沿光传播方向或垂直于光传播方向)精细调节位移直到输出最大光强，待胶水或者光刻胶凝固(如紫外固化)从而将超透镜固定住，使得自由空间光经超透镜阵列将光最大限度的耦合进光波导。
如图3和图4所示，超透镜阵列卡槽截面为圆形、半圆形、扇形或者矩形，卡槽的宽度a与超透镜衬底厚度相当，通常为500-1000微米；卡槽的深度d1需要大于超透镜的半径S2/2；卡槽距离波导端面耦合器收光口的距离等于超透镜的焦距f。收光槽截面可以是半圆形或者矩形。收光槽的通光口径S3大于或等于超透镜直径S2，相邻两个收光槽之间的间距p大于通光口径S3，槽的深度d2大于等于超透镜的半径S2/2。不管是周期还是非周期阵列，两个收光槽之间的间距与对应的波导之间的间距相等。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开自由空间光与光子芯片端面耦合方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法，解决了光子芯片系统应用中光耦合相关的技术难题。针对硅光模块的应用，光纤与波导耦合已经有一些技术解决方案，但自由空间光与光子芯片耦合依然面临技术挑战。本公开提出的超透镜与光子芯片耦合方案为这一挑战提供了解决途径。超透镜具有超薄、微型、易于阵列加工和集成等优点，是能够与光子芯片匹配的优异光学器件。与不使用超透镜相比较，超透镜的集成可以将光耦合强度(光子芯片收光能力)提高S2/S1倍。针对光栅耦合方式，本公开提出了相应的超透镜固定和封装方案，解决了高耦合效率光子芯片集成应用难题，为新型光子集成应用系统的研发及商用化提供了技术保障。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自由空间光与光子芯片端面耦合方法，包括：
将至少一个端面耦合器设置于超透镜的焦距处；
通过所述超透镜将自由空间光汇聚到所述端面耦合器的收光口；
通过所述端面耦合器将与其收光角度、方向和波导模场匹配的光耦合进端面耦合器的波导。
2.根据权利要求1所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，在光子芯片和自由空间光之间设置超透镜阵列与自由空间收光槽阵列。
3.根据权利要求2所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，超透镜阵列与自由空间收光槽阵列设置于衬底上，所述收光槽阵列沿自由空间光传播方向设置。
4.根据权利要求3所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，所述超透镜阵列沿垂直于自由光空间光传播方向设置。
5.根据权利要求2所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，所述收光槽的横截面为半圆形或矩形。
6.根据权利要求2所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，所述超透镜阵列设置于超透镜阵列卡槽中，所述超透镜阵列卡槽垂直于自由光传播方向设置，卡槽深度大于超透镜的半径的一半。
7.根据权利要求2所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，所述收光槽阵列中各收光槽平行设置，相邻收光槽的中心间距大于收光槽的直径。
8.根据权利要求5所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，所述超透镜阵列卡槽的通光口径大于或等于超透镜的口径。
9.根据权利要求1所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，阵列卡槽的制备方法有两种：一是光刻或电子束曝光加刻蚀方法；二是激光加工。
10.根据权利要求1所述的自由空间光与光子芯片端面耦合方法，超透镜的通光孔直径大于所述收光口直径，所述收光口直径大于空间自由光经超透镜汇聚后光斑的直径。
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