用于垂直耦合的非对称光栅耦合器的研究进展 
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1 引 言
光子集成理论与相关制备技术经过几十年的发展已得到了长足的进步。由于信号之间无感应、无干扰，且信号速率高、密度大、无需接地等，光互连技术逐步替代了电互连技术。以结构来分，光互连可分为局间互连、架间互连（设备间互连）、框间互连、板间互连、板上互连（片间互连）、片上互连（片内互连）。其中，片上光互连的基本单元包括光源、光波导、分束/合束器、高频调制器和探测器等有源/无源光电子器件，它们的高集成度依赖于硅基微纳光子集成技术的发展。
尽管片上的硅基微纳光电器件尺寸可缩小至纳米量级并实现一定规模的子系统，但系统对外的高效耦合始终是一个严峻的挑战。对于集成光路系统来说，耦合器是系统与外界的接口，接口问题会影响整个系统的功能。因此，近年来，平面光波导耦合技术受到越来越广泛的关注。通常硅波导的尺寸很小，波导中只有一个模式传播。例如，对于在低损耗光纤通信波长（如1550 nm）下的单模运行，嵌入石英包层（折射率为1.45）中的硅波导（折射率为3.45）的横截面面积必须为亚微米级 （如 400 nm×220 nm）［1］。而标准单模光纤（SMF）的典型模式场直径（MFD）约为10 μm。这两个波导之间的横截面面积相差3个数量级，这对有效的光耦合提出了很大的挑战。
光波导耦合按照耦合方式可以大致分为两类：端面耦合和平面耦合。端面耦合方法主要用于低端口数光子芯片的封装，是光纤通过波导端面直接将光耦合进波导的方法，通常有多层锥形结构，三维锥形结构和倒锥形结构等［2-3］。尽管端面耦合具有宽带宽和偏振不敏感的光耦合特性，但是它通常要求精确的对准。例如，对于1 dB的耦合损耗，对准公差在±0.5 μm左右［4］。而且端面耦合对振动和高度方向上的位移变化非常敏感，需要很好的环境条件［5］。难以制备复杂结构、高要求的制作容差和耦合封装的困难使得端面耦合不适用于大规模集成光路。
作为端面耦合的替代解决方案，人们提出了基于衍射光栅的光耦合方法，该方法可解决光子集成中的光纤与集成波导之间的模式尺寸失配问题，并在表面法线而不是芯片边缘处提供可扩展的光学接口方向［6-7］。与端面耦合相比，光栅耦合具有三个典型的优势：1）不需要后处理，例如切块或抛光，可以进行制程中的晶圆级光学表征和测试；2）耦合器结构不需要位于芯片边缘，从而提高了布局设计的灵活性和光端口的可扩展性；3）降低了对准公差，从而使测量和包装过程更加简单［8-14］。
本文首先介绍了光栅耦合的原理，重点介绍了非对称光栅相对传统对称光栅的优势；然后详细介绍了常见的几种非对称光栅的研究进展，并重点介绍了它们的制备方法、耦合效率等；最后，对文中涉及的几种光栅的特点进行了汇总比较，以期为相关科研工作提供参考。
2 光栅耦合原理
2.1 对称光栅耦合原理
衍射光栅是连续线阵呈周期排列的器件，表现为透射部分和遮光部分的周期分布。
式中：
图 1. 光栅耦合器的结构示意图[15]。（a）入射耦合；（b）出射耦合
Fig. 1. Structural diagram of grating coupler [15]. (a) In-coupling; (b) out-coupling
图 2. 典型的光栅耦合器[18]。（a）整体示意图；（b）横截面图
Fig. 2. Typical grating couplers[18]. (a) Whole structural diagram; (b) cross sectional diagram
2.2 非对称光栅的耦合原理
由于普通对称光栅耦合效率的局限性，必须采用倾斜入射的方法。而垂直耦合在集成光路的应用方面具有更大的吸引力，它能大大加强系统的灵活性并降低对准封装难度。相对于非完全垂直耦合，完全垂直耦合有着以下优点：不需要光纤顶端的倾斜抛光；对准难度降低， 而非完全垂直耦合需要考虑光纤方向和波导方向的关系，并适当调整角度；由于光纤都是同一个方向排列，完全垂直耦合适合于更密集的集成。在完全垂直耦合下，为了打破耦合条件的对称性，就必须依赖非对称结构的光栅耦合器。
在以下篇幅中，本文将梳理目前主要的非对称光栅的类型和研究现状。实现光栅非对称性的方法有多种，各有优劣，这对于研究者来说是个艰难的选择。本文将详述和对比各种非对称光栅的结构设计和制备方法，以期为非对称光栅研究提供较全面客观的参考。
3 非对称光栅的研究进展
3.1 倾斜光栅
目前用于光耦合的最佳非对称光栅结构是倾斜光栅［19］。这是具有倾斜侧壁的二进制光栅，通过对其进行优化，光耦合效率可以超过90％。利用严格的傅里叶模态方法（FMM，也称为RCWA）对倾斜光栅进行优化，如
图 4. 倾斜光栅和传统矩形光栅的模拟[20]
Fig. 4. Simulation of slanted grating and conventional rectangular grating [20]
目前用于制备倾斜光栅的方法主要有反应离子刻蚀（RIE）和聚焦离子束刻蚀（FIB）两种。传统RIE的刻蚀方向是垂直样品表面，而倾斜光栅需要通过各种设计来实现倾斜刻蚀。
Li等［21］于1996年提出，在全息曝光和显影后，使用特别设计的法拉第笼改变RIE中的等离子体方向，从而实现倾斜的各向异性刻蚀，最终得到了倾斜的刻蚀槽，如
图 5. 使用法拉第笼改变RIE中等离子体方向来实现倾斜刻蚀[21]。（a）结构示意图；（b）所得倾斜光栅的SEM照片
Fig. 5. Realization of tilted etching using Faraday cage to change plasma direction in RIE[21].（a）Structural diagram; (b) SEM image of obtained slanted grating
得益于新型设备反应离子束刻蚀（RIBE）的应用， Levola 等［22］在全息显影后使用反应离子束刻蚀，使离子化的氩束倾斜入射至基板，并通过向刻蚀室中添加反应气体氟利昂，增加SiO2和Cr之间的选择性，得到了
在标准RIE中，将样品倾斜一定角度，也可以得到倾斜的刻蚀槽。Miller等［15］以倾斜30°的方法在标准RIE中刻蚀出了
FIB是另外一种可以实现倾斜刻蚀的方法。Wang等［23-26］进行了倾斜光栅耦合器的设计和制备。采用高折射率光栅，在耦合长度仅为20 μm时， 利用时域有限差分（FDTD）法并结合遗传算法进行优化，理论输入耦合效率可以达到80.1%，输出耦合效率可以达到56%，如
图 8. 倾斜光栅耦合器的设计和制备。（a）输入倾斜光栅耦合器[23]；（b）基于FIB的SOI波导层上的倾斜光栅耦合器的SEM图[26]
Fig. 8. Design and fabrication of slanted grating coupler. (a) Incident slanted grating coupler [23]; (b) SEM image of slanted grating coupler in SOI waveguide layer based on FIB [26]
从以上案例可以看到，虽然倾斜光栅的理论耦合效率很高，但是简单有效的制备方法仍然是难点。传统RIE很难实现良好的齿形及较好的占空比控制，在倾斜刻蚀方面需要诸多改进。RIBE可以很好地解决这个问题，是目前比较推荐的倾斜光栅制备方法。FIB虽然可以较容易实现倾斜刻蚀，但是刻蚀速度较慢，对工艺要求很高，要求严格控制倾斜角度和刻蚀深度，并且很难与传统CMOS（complementary metal oxide semiconductor）工艺兼容。
3.2 闪耀光栅
若将光栅的刻痕刻成三角形的槽线，使每一刻痕的小反射面与光栅平面保持一定的夹角，以控制光在每一个小反射面上的反射方向，进而使光集中在所需要的某一级光谱上，这种光栅称为闪耀光栅，刻痕的小反射面与光栅平面间的夹角称为闪耀角。当入射角α、衍射角β和闪耀角
闪耀光栅通过控制槽的形状，可将衍射的中央主极大转移到不同的干涉主极大上，从而使能量集中到某一衍射级。利用这一点，可以制成高效的光栅耦合器［28-29］。闪耀光栅的制备方法主要有机械刻线、全息光刻与离子铣削或各向异性蚀刻相结合的方法及灰度电子束光刻（grayscale electron beam lithography）。
如果采用机械加工过程，就必须在光栅的整个表面上精确控制三角形凹槽的轮廓。通过监控和补偿以确保槽轮廓的严格控制。光栅要求非常高的机械加工精度，世界上只有极少数的设备能够实现机械刻写光栅［30］。
全息光刻主要用于对称结构，通常与离子铣削［31］或各向异性KOH蚀刻［32］相结合以实现不对称光栅结构。Ang等［33-34］使用扰动理论调整锯齿的形状，计算得到闪耀光栅对衬底的最大输出效率约为90%。他们在包含有1 μm厚度顶硅的unibond SOI（先键合再剥离得到的SOI 晶片）中制造了闪耀光栅，通过以一定倾斜角在Ar离子束铣削腔中进行刻蚀，成功地制造了良好的非对称硅锯齿状闪耀光栅，斜齿间距小于383 nm，测试得到的输出耦合效率达到了84%。闪耀光栅的SEM照片如
灰度电子束光刻近年来被广泛用于闪耀光栅的制备。Mattelin等［36］使用灰度电子束光刻技术，在PMMA（polymethyl methacrylate）上制造了间距为508 nm、填充系数为0.66的闪耀光栅，如
图 11. PMMA模板光栅[36]。（a）压印前和（b）压印后的FIB横截面SEM图像；（c）OrmoCore上的压印光栅
Fig. 11. PMMA template grating [36] .FIB cross-sectional SEM images (a) before and (b) after imprinting; (c) imprinted grating in OrmoCore
从以上案例可以看到，全息光刻与离子铣削相组合的工艺昂贵且耗时，灰度电子束光刻是更为实用的闪耀光栅制备方法。但是，光栅耦合效率对表面平滑度非常敏感，灰度电子束光刻也很难达到制作要求，这种厚度变化的结构难以制备。由于所制备的闪耀光栅的形貌欠佳，实际所得的耦合效率远远低于理论计算值。
3.3 二元闪耀光栅
由于传统闪耀光栅锯齿面的制造工艺难度较大，尤其是目前光电器件的尺寸越来越小，因此需要更简易的制造流程，这就极大地推动了二元闪耀光栅的研究和发展［37］。二元闪耀光栅是一种基于亚波长光栅“等效介质膜理论”的新型闪耀光栅。等效介质膜理论是研究亚波长结构表面的近似理论。该理论认为，当入射光波长远大于浮雕结构周期时，只产生零级的透射、反射和衍射，波阵面的形状不发生改变［38］。
二元闪耀光栅中的每个子周期均由一系列等高不等宽的光栅组成，通过改变光栅的占空比，可实现等效折射率的调制，进而实现闪耀光栅。在某种意义上，二元闪耀光栅可以看作是宽度方向上离散化的闪耀光栅。闪耀光栅离散化至二元闪耀光栅的过程如
图 12. 二元闪耀光栅耦合器的设计原理[35]。（a） 闪耀光栅；（b）等价形式的渐变折射率光栅；（c） 二元闪耀光栅
Fig. 12. Design principle of binary blazed grating[35]. (a) Blazed grating; (b) equivalent gradient refractive index grating; (c) binary blazed grating
理论和实验研究表明，虽然闪耀光栅在理论上可以实现很高的衍射效率，但是，在纳米光学器件的设计中，常规的闪耀光栅存在固有的遮蔽效应［39-42］，原理如
学者们测量了具有不同离散程度的二元闪耀光栅，均得到了较高的耦合效率，较低的制作难度得到证明。Yu等［43-44］设计了四个不同宽度的介质齿，实现了折射率渐变的子周期，如
图 14. 二元闪耀光栅的结构示意图。（a）2D结构[43]；（b）3D结构[43]；（c）二元闪耀光栅的耦合示意图[47]；（d）二元闪耀光栅耦合器的SEM图 [48]
Fig. 14. Structural diagram of binary blazed grating. (a) 2D structure[43]; (b) 3D structure[43]; (c) coupling schematic of binary blazed gratings[47]; (d) SEM image of binary blazed grating coupler[48]
二元闪耀光栅制备的难点往往是最小宽度介质齿的实现，而由以上诸多研究结果可见，当将二元闪耀光栅离散为一个子周期内含有2、3、4个不同宽度的介质齿时，均可以实现效率较高的耦合。这降低了二元闪耀光栅的设计和制备难度，增加了实用性，是非常有意义的。
3.4 其他非对称光栅
除了目前较常见的非对称光栅，学者们也探索了其他形式的光栅结构，同样可以实现非对称的耦合。Liu等 ［50］在SOI波导层上，通过选择性湿法，刻蚀掉光栅层下面的氧化物层，使光栅的一侧落下，从而将常规对称光栅变为倾斜放置［
图 15. 几种较为少见的非对称光栅。（a）矩形光栅倾斜放置的光栅耦合器示意图[50]；（b）双深度双槽光栅耦合器[51]；（c）高折射率材料的角蒸发示意图[52]；（d）基于图（c）得到的结构[52]
Fig. 15. Several less popular asymmetrical gratings. (a) Schematic of tilted rectangular grating coupler[50] ; (b) double-depth double-groove grating coupler[51]; (c) angle evaporation schematic of high-refractive-index material[52]; (d) structure obtained based on Fig. (c) [52]
4 特点比较
相对于对称光栅，非对称光栅在耦合效率方面有着明显的优势。但是，非对称光栅的应用依然没有得到普及，主要原因是其加工难度较大。
表 1. 常见非对称光栅的特点比较
Table 1. Feature comparison of common asymmetrical gratings
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5 结束语
光电领域的发展对光纤与光波导的耦合效率提出了越来越高的要求。由于种种优势，非对称光栅终将代替对称光栅而得到广泛应用。介绍了对称光栅和非对称光栅的耦合原理，综述了目前常见的非对称光栅耦合器，从耦合效率和加工难度等方面进行了对比和总结。讨论了光栅形貌本身对耦合效率的影响。实际上无论是哪种光栅，都可以通过添加底部反射层、布局多层光栅等方法来改善性能。
虽然芯片制造技术已经非常成熟，但是只适用于制备传统的对称光栅，而很难直接应用于非对称光栅。随着各种先进制造方法的开发，相信一些设计独特的光栅结构也将逐渐得到实现。
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田苗, 瞿敏妮, 乌李瑛, 程秀兰. 用于垂直耦合的非对称光栅耦合器的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(5): 0500004. Miao Tian, Minni Qu, Liying Wu, Xiulan Cheng. Progress on Asymmetrical Grating Couplers for Vertical Coupling[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2021, 58(5): 0500004.
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