硅基波导光学耦合技术主要用于解决硅基集成光电芯片上的光信号同外部光信号互连的问题，也是硅基光电芯片封装的关键技术。

硅基光波导的宽度通常在300nm~500nm左右，相比于通常使用的单模光纤（芯径尺寸约8~10um）在几何尺寸上有很大差距，几何尺寸上巨大差别造成了模场的严重失配，如图1所示。通过设计不同结构、不同材质的光耦合器件，使片上硅波导的光模场同单模光纤的光模场耦合相匹配，达到最优的光耦合效率，通常使用SSC (spot size converter)耦合以及光栅耦合两种方式。EPIC组所研制的波导端面耦合器以及光栅耦合器已经达到世界领先水平[1-2]。

图1：单模光纤同硅波导耦合示意图

SSC模斑变换器

端面耦合是通过应用端面耦合器，使得光信号直接在硅基波导的横截面和光纤的横截面直接相耦合。端面耦合器的优点在于耦合效率较高，而且能够在不改变光路的情况下进行对准。在制备上工艺难度大、制作容差小，需要特殊的端面抛光。

通过在硅波导端面制作多层波导结构改变光波传播的模场，以实现不同直径模场的匹配，如图2所示。不同的波导材质及外形尺寸设计对SSC耦合损耗有很大影响。

国外研究机构如NTT、Intel、Bell Lab等都报道了对于SSC耦合器的相关研究。其中2008年，Intel报道了一种双层正向 taper的耦合器，耦合损耗为1.5dB/port[3]。2010年，贝尔实验室报道了一种悬臂结构SSC，在1550nm波段，TE模式光波的耦合损耗约0.8dB，TM模式光波的耦合损耗约1dB[4]。

通过使用FDTD、BPM仿真软件以及多次对器件制作工艺的摸索，我们制作了反向楔形模斑变换器。在1550nm波长与MFD=4um的光纤的耦合时，TE模的耦合损耗为0.62dB，TM模的耦合损耗为0.95dB，1dB带宽达到100nm。在C波段和L波段，TE模平均的耦合损耗约为1dB，TM模的平均耦合损耗约为1.3dB。[1]

(a)SSC模斑变换器中的光模场变换    (b)模斑变换器SEM图

图2：SSC工作原理示意图

光栅耦合器

光栅耦合器是一种常见的实现芯片与光纤之间光互联的耦合器，光栅耦合方式的示意图如图3(a)所示，光纤的方向垂直（或有微小偏角）于光栅耦合器，当光从光纤入射到光栅耦合器表面时，由于布拉格衍射效应，衍射光会在芯片表面垂直于光栅结构的方向上相互干涉得到增强，从而使一部分光延光栅耦合器进入芯片中的光波导。过这种方式使得耦合器结构和位置的设计更加的自由，同时光栅结构（通常为12um x 12um）的尺寸同光纤纤芯的尺寸（8~10um）相适应，可以提高光纤与耦合器的对准容差。

(a)

图3：光栅耦合器原理示意图

在2002年，比利时Ghent大学在GaAs-AlOx上最先研制出了光栅耦合器，耦合效率19% [5]。2009年，德国汉堡-哈堡工业大学在SOI基片上制作了将顶层硅刻透的只需一步工艺步骤的光栅耦合器，耦合效率达到了49%[6]。

EPIC组在SOI衬底上设计并制作了渐变周期的光栅耦合器[2]和均匀周期的光栅耦合器，变周期的光栅耦合效率达到了-0.85dB，3dB带宽55nm，均匀周期的光栅耦合效率达到了-4dB，3dB带宽为60nm，均达到世界一流水平。

阵列耦合

阵列耦合是多通道光器件同外部实现光交互的重要形式。由于要实现多端口的同时对准耦合，端口的耦合误差会形成积累，难度高于单端口耦合，可以分为光栅阵列耦合以及端面SSC阵列耦合。光栅阵列耦合是光电子芯片常见的阵列耦合形式，其有操作简单、对准容差大等优点，是产品封装、器件测试常用的耦合手段。端面SSC阵列耦合由于其损耗小、封装体积小的特点将是未来光电子器件封装的主要形式。EPIC组在阵列耦合方面进行了积极探索，并取得了一定的研究成果。

总之，标准单模光纤阵列同硅基波导阵列之间的耦合将是解决未来大规模，高密度的集成硅光子芯片同外部光互联问题的重要手段。

参考文献：

[1]       Y. Fu, Z. Li, T. Chu, Y. Yu, J. Yu, and Q. Li: “Broad-band Efficient Edge Couplers for Compact Silicon Photonic Circuits”, Information Optoelectronics, Nanofabrication and Testing, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America),(2012);

[2]       C. Zhang, J. Sun, X. Xiao, W. Sun, X. Zhang, T. Chu, J. Yu, Y. YU: “High Efficiency Grating Coupler for Coupling between Single-Mode Fiber and SOI Waveguides”, Chinese Physics Letter, 30, 1, pp.014207-1-4, (2013);

[3]       Barkai A, Liu A, Kim D, et al. “Double-stage taper for coupling between SOI waveguides and single-mode fiber”. Journal of Lightwave Technology, 2008, 26(24): 3860-3865.(2008);

[4]       Chen L, Doerr C R, Chen Y K, et al.” Low-Loss and Broadband Cantilever Couplers Between Standard Cleaved Fibers and High-Index-Contrast Si< formula formulatype”. Photonics Technology Letters, IEEE, 22(23): 1744-1746.(2010);

[5]       Taillaert, D.; Bogaerts, W.; Bienstman, P.; Krauss, T.F.; van Daele, P.; Moerman, I.; Verstuyft, S.; De Mesel, K.; Baets, R., "An out-of-plane grating coupler for efficient butt-coupling between compact planar waveguides and single-mode fibers," Quantum Electronics, IEEE Journal of 2002, vol.38, no.7, pp.949,955,(2002);

[6]       Bernd Schmid, Alexander Petrov, and Manfred Eich, "Optimized grating coupler with fully etched slots," Opt. Express 17, 11066-11076 (2009);