硅光子芯片上的聚合物光斑尺寸转换器设计

摘要

由于对高比特率光互连的需求不断增长，硅光子学（SiPh）技术得到了相当多的关注。由于硅光子芯片和单模光纤（SMFs）之间的光斑尺寸差异而导致的低耦合效率仍然是一个具有挑战性的问题。

为了解决这一问题，Yoshiki Kamiura等人在硅芯片的端面制造了一种新型的聚合物光斑尺寸扩展器（polymer spot size expander，SSE）器件。采用自写波导（self-written waveguide，SWW）技术和紫外光固化树脂浸渍法制备SSE具有较高的可重复性。

在波长为1.55µm的情况下，SiPh芯片的原始3.83µm的光斑尺寸扩展到约7.82µm， SMF的最大耦合效率为-0.88dB。此外，沿垂直光轴的-3db公差为±4.4µm 。

设计与制造

计算了SSE的最佳形状。SSE的结构和计算中使用的参数如图1所示。首先，确定了高度。SSE高度为L，SSE紫外树脂的折射率为nr，信号波长为 λ = 1.55µm 。此外，假设为高斯光束，光束半径ω1增加为：

其中，ω0为具有SSC的SiPh芯片的出射光斑半径。

图1。提出的SSE结构和计算参数。来自SSC的光束（2ω0）在SSE内被扩展；随后，微透镜将光斑直径转换为2ω2（10µm）。

在波长为1.55µm时，假设SiPh芯片ω0的光束半径为1.915µm。计算得到的光束直径2ω1如图2(a).所示对于高度L为30µm的SSE， 光束直径2ω1增加到大于10µm 。因此， 将SSE高度L设置为30µm 。

图2。(a)光束直径2ω1作为耦合器件高度L到微透镜的函数。(b)光斑大小2ω2和光斑位置Z与微透镜曲率半径R的关系。

随后， 利用微透镜的凸透镜效应对高斯光束的波前进行了转换 。光斑尺寸2ω2和光斑位置Z作为微透镜曲率半径R的函数计算如下：

SSE高度L为30µm时的2ω2和Z的计算值如图2(b).所示， R = 12µm和Z = 6.96µm的光斑大小（2ω2）约为10µm 。斑点位置Z被定义为到SSE端面的距离。采用浸渍法制备曲率半径R为12µm的微透镜，几何确定微透镜直径为24µm。因此，要制作的 柱的直径D为24µm 。

在制作中使用了一种模场直径为 24µm的热膨胀芯（thermally expanded core，TEC）光纤 ，因为它比使用光掩模相对简单。制作过程如下：

(1)SiPh芯片和TEC光纤水平放置，无间隙。它们使用1.55µm的激光束作为监测信号进行精确对准。对TEC光纤的端面进行了抗粘附处理。对齐后，TEC光纤被稍微远离SiPh芯片。

(2)将紫外固化树脂粘在TEC光纤的端面，将TEC光纤靠近SiPh芯片，同时保持柱高度的设计值。 紫外光固化树脂（(NP-001R, SUNCONNECT）在波长为1.55µm时的折射率为1.573 。

(3)用TEC光纤侧405nm激光照射固化。照射时间为15 s，光输出功率约为1.5µW。

(4)未固化的树脂被清洗掉，一根柱子出现了。

(5)采用浸渍法在柱上制作了一个微透镜。该浸渍方法可方便地在有限面积内制备微透镜。带有柱状结构的SiPh芯片被垂直放置。柱子的尖端慢慢地靠近了载玻片上的薄涂层树脂。当柱子的尖端接触到树脂时，它迅速向上拉里，脱离载玻片。

(6)附着在柱顶的树脂通过波长为365 nm的LED光照射固化。

图3。柱、微透镜的制作工艺：(1)定位无间隙的SiPh芯片和TEC光纤；(2)有间隙；(3)用TEC光纤输入405nm激光照射固化；(4)去除未固化树脂；(5)将树脂附着在柱端形成微透镜；(6)附着在柱端的树脂固化。

测试结果

图4 (a)对SiPh芯片与SSE和SMF之间的耦合效率的测试设置，显示了测量的和理论的耦合效率和位置公差。(b)平行于光纤光轴的位移，Z。(c)距光纤光轴的水平位移，X。(d)与光纤光轴的垂直位移，Y。

图4(b)中的最大耦合效率为距离SSE端部 22µm ，因此，SMF被放置在相同的位置。对于SSE的SiPh芯片和无SSE， 沿水平光轴（x轴）的−3dB公差为±3.1µm ， 沿垂直光轴（y轴）的−3dB公差为±4.4µm ，虽然紫外光固化树脂的色散与波长有关，但在1.55µm或1.30µm的波长区域却很小。由于结构简单，推测SSE本身在1.55µm波段上引起的波长色散非常小。