双波段波导光栅耦合器介绍

光栅耦合器（GCs）由于其在芯片表面的任意定位、晶片级测试、大对准和制造公差等优点，可以用于PIC中光纤耦合的I/O接口，还可以用于直接耦合到垂直腔表面发射激光器（VCSELs）和光电探测器上，因此，光栅耦合器被广泛应用。

完全垂直耦合的耦合效率为1.4dB，非垂直耦合为0.89 dB的光栅耦合器已在商业铸造厂得到证明。然而， 光栅耦合器仍然存在一些缺点 。其中一个主要缺点是其光****波段 宽小 。

由于光栅衍射的波长依赖性，在硅光子学中，通常具有1-dB光波段宽约为30 nm的窄波段宽。然而，对于某些应用，需要更宽的光波段宽。

香港中文大学近日提出了一种新的在C波段和O波段都适用的波导光栅耦合器的设计方法，设计原理如图1所示。该器件根据分别在硅层和多晶硅覆盖层上形成的两个独立光栅的初始设计进行了优化。他们设计了C波段的上层（多晶硅），以及O波段的下层（硅）作为初始优化种子。

利用遗传算法对该结构进行数值优化后，光栅耦合器C波段的耦合效率为3.86dB，O波段的耦合效率为4.46dB，实验结果如图2所示，在C波段的−耦合效率为4.37dB，O波段的−耦合效率为5.8dB。

图1 双波段光栅耦合器的原理图。(a)三维视图。(b)双波段光栅耦合器的设计步骤。GC1是指为在C波段内运行而设计的均匀光栅耦合器。

GC2是指为在O波段工作而设计的均匀光栅耦合器。GC3是指为C波段设计的上多晶硅层和为O波段设计的下硅层的复合光栅耦合器。GC4是指以GC3作为初始优化种子的最终优化的双波段光栅耦合器[1] 。

图2 双波长光栅耦合器的实验测量和仿真结果。