张一凡，庄永勇，杨 柳，杜波波，刘 鑫，胡庆元，夏钰坤，张 磊，魏晓勇，徐 卓

(1．西安交通大学 电子陶瓷与器件教育部重点实验室，多功能材料与结构教育部重点实验室，国际电介质研究中心，电子科学与工程学院，陕西 西安 710049；2．江西匀晶光电技术有限公司，江西 九江332000)

0 引言

信息化产业的普及使得时刻都有大量信息的交互，对信道容量的需求也随之增高。电互联技术受载体的局限，其发展正面临着数据传输速率迅速膨胀的挑战，在带宽拓展、实时传输及减小损耗等方面亟待高水平突破[1-3]。因此，研究人员通过互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺加工硅光子器件，在发送端将电信号调制到激光束上，并通过光纤传输到接收端，经检测器将光信号变为电信号，实现光纤通信[4-7]，目前光纤通信已发展至长波长单模光纤通信。与电子相比，光子具有更高的传输速率，在减小波导损耗和获得大信道的同时，又能保证传输信号轻易不发生畸变[8-9]。因此，基于硅光子集成的光通信、光互连及光传感等技术得到飞速发展。

硅光子器件基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、绝缘体上硅(SOI)等)，利用CMOS技术进行开发和集成[10]。其中，SOI因高折射率、与CMOS技术兼容性高和传输损耗低而成为焦点。铌酸锂晶体(LN)因为出色的电光效应而获得学者的广泛关注，基于绝缘体上铌酸锂(LNOI)的器件也不断涌出[11-13]。器件的高集成化使得高效光传输成为现阶段首要问题，目前市面上大多数硅波导截面积可降至0.1 μm2，是单模光纤的几十分之一。光纤内的光若不经特定耦合器直接耦合进波导，将存在巨大的模式失配，导致耦合效率较低[14]，因此急需寻求一种新型的耦合技术或器件。

解决方案中，目前水平耦合方案与光栅耦合方案[14-15]应用最广。水平耦合采用锥形透镜光纤，减小光纤模场的同时，又通过模板转换器增大波导的模场，从而达到高效耦合。水平耦合可分为聚合物倒锥形、平板型倒锥形和标准单模光纤耦合[16-20]。水平耦合方案具有带宽大，偏振相关性小及耦合效率高等优点。Li等[17]制作的水平楔形模斑转换器在测试中损耗仅为0.44 dB。水平耦合方案制作难度大，位置受限且对准容差小。为改进上述弊端，科研人员们在继承高效率耦合的基础上，研究发展了光栅耦合。

1949年，Harrison教授[21]提出，衍射光栅对近代物理学的发展很重要。光栅是基本的无源器件之一，在薄膜层中刻蚀各种不同周期、占空比和刻蚀深度的凹槽，将所接收的光耦合进波导或光纤中，在集成光路、光通信及光传感等方向起着重要作用，是通信领域中的重要角色。

光栅作为桥梁具备以下优势[22-23]：

1) 制作简单，工艺损耗小。与CMOS技术高度互补，不需要高精度的解理和抛光，避免了因制片复杂而磨损表面。

2) 位置灵活。光栅位于芯片表面，耦合时可随时调整位置。

3) 片上测试。减小了封装成本，在晶圆上对光栅进行检测，极大地提高了系统的集成性。

4) 对准容差大。光栅耦合器可直接与单模光纤进行耦合，模斑面积大于水平耦合方案，损耗小，2 μm2的对准容差仅带来1 dB的额外损耗。

5) 可实现多通道耦合。沿着光栅表面进行排列，可实现多通道耦合。

本文首先介绍了光栅耦合器原理，重点介绍基于SOI平台均匀光栅、倾斜光栅、闪耀光栅和切趾光栅的研究进展、制备方法和耦合效率，介绍了基于LNOI平台的部分光栅耦合器，为后续工作提供参考。

1 光栅耦合器的工作原理和分析方法

1.1 光栅耦合器的工作原理

图1为基于SOI的光栅耦合器[14]。顶硅层(又称器件层)为单晶硅薄膜，光栅刻蚀在薄膜上。常见的顶硅层厚度为220 nm、260 nm或340 nm。中间为隐埋氧化层(BOX)，主要材料为SiO2，用来隔离顶硅层与衬底硅，并防止上层透射下来的光全部逸出耦合器，造成耦合效率降低。最下层为衬底硅层，为整个系统提供机械支撑。

图1 基于SOI的光栅耦合器

光栅耦合器利用光的衍射实现光功率在光纤与波导间的传输，其原理可通过布喇格衍射解释。图2为布喇格衍射条件波矢示意图[14, 22, 24]，揭示了入射光波矢Kin与衍射光波矢间的关系。图2仅可预测光栅允许的衍射级数，无法计算不同衍射级间的能量分布和衍射效率[10, 21]。此外，布喇格条件只能简单说明光栅周期Λ、波长和倾角θ之间的关系，未涉及光栅的刻蚀深度及占空比(FF)等因素。为了精确求解上述关系，需要借助数值仿真法(如时域有限差分法(FDTD)及有限元法(FEM)等)。

图2 布喇格衍射条件波矢示意图

设入射光所在空间折射率为n1，透射空间折射率为n2，z轴正方向为光栅方向，K为光栅矢量，且：

K=2π/T

(1)

式中T为光栅周期。

Kin在z方向上的分量Kin,z为

(2)

式中：λ为真空中的光波长；θ为Kin偏离光栅法线的角度。此时布喇格条件可表示为

KM,z=Kin,z+MK

(M=0,±1,±2,±3,…)

(3)

式中：M为衍射级数；KM，z为Kin在z方向上的投影与M倍光栅矢量之和。

随着M增大，入射能量以不同效率进入各个衍射级。为实现高效耦合，需要减少衍射级数，以提高耦合效率，减小光在自由空间的衍射。

由互易性原理[25-26]可知，从光纤耦合进波导和波导耦合进光纤的效率与损耗基本一致，仅方向相反。因此，本文仅讨论光从波导耦合进光纤。当Kin=K时，光栅仅发生-1、-2级衍射，由式(3)可得：

K-1,z=0 (-1级衍射)

(4)

K-2,z=-Kin(-2级衍射)

(5)

采用垂直耦合，光纤垂直放置在光栅上方，在这两级衍射中，仅有-1级衍射光可垂直进入光纤内，-2级衍射光反射回波导中，对器件造成损伤，影响器件的性能。耦合时应尽可能避免和减弱-2级衍射光，实现对器件的保护。

为克服这一问题，学者提出了倾斜耦合[14, 27]，即使纤芯偏离光栅法线一定的角度，在减小二次反射的同时，又能保证与垂直耦合相当的耦合效率。倾斜耦合可分为正倾斜耦合和负倾斜耦合两种，如图3所示[22]。

图3 布喇格衍射条件

正倾斜耦合中-1级衍射波矢与入射波矢方向一致。在光栅耦合器发生衍射时，由于Kin>K，此时产生的-1级衍射波矢偏向Kin，不再垂直光栅，-2级衍射波矢在z反方向上的投影不等于K，产生一定的偏移，光束向下方衍射，减少了二阶反射对器件的损耗。倾斜耦合中-1级衍射波矢与入射波矢方向相反。此时，K>Kin，-1级衍射偏向Kin的反方向，-2级衍射波矢在z反方向上的投影大于光在n1、n2中的波矢，不发生-2级衍射，即负倾斜耦合仅会发生-1级衍射，无-2级衍射。

对正倾斜耦合仿真时发现，虽存在向下的-2级衍射，但能量小，影响甚微，且两者的-1级衍射蕴含的能量相当，即在耦合效率方面，正向与负向倾斜耦合几乎一致。因此，是否易于封装和拥有较小的尺寸起决定作用，光栅是对称结构，从光纤耦合进波导(波导耦合进光栅)是一个基本单元，采用负倾斜耦合时，垂直方向上的光纤成正“八”结构，增大耦合器的尺寸，不易封装与测试。而正向倾斜耦合，光纤顶端呈倒“八”结构，可使光纤顶端无限接近，极大地缩减了光栅波导的尺寸，易于制造。另一方面，对于相同的Kin，正倾斜耦合的K小于负倾斜耦合的K，即正向倾斜耦合时光栅周期大于负向倾斜耦合，在后续加工时，较大的光栅周期降低加工难度。综上所述，在设计耦合系统时，正倾斜耦合更适合集成和封装，在后续介绍中主要介绍正向倾斜耦合的光栅。

1.2 光栅耦合器的主要性能指标

图4为对于光栅耦合器内光功率的传输过程。在光纤输入波导部分总功率：

Pw=ηCEPin=Pin-Psub-Pr-

Pw2+Psub-r

(6)

式中：ηCE为光栅耦合器的耦合效率;Pin为纤芯输出的总功率；Pr为光栅的向上反射功率；Psub为透射功率，带有金属反射镜的光栅可减小透射功率，将部分Psub反射回波导内，增大耦合效率；Pw2为光栅的反向反射功率;Psub-r为基底反射上来的效率。由波导传输出的总功率Pw为入射总功率减去输入部分所有透射和反射出去的光功率。

对于波导输出至光纤部分：

Pout=ηCEPup=η(Pw-Pt-Pr-Psub+Psub-r)

(7)

式中:η为光场匹配因子;Pout为耦合到光纤的功率，是重要检测指标。由于光栅的互易性，光纤耦合到波导(波导耦合进光纤)情况类似，故不再详细展开。

图4 光栅耦合器截面图

采用光栅耦合时，以下指标值得重视：

1) 耦合效率(CE)是指传递进波导中的光功率与光纤传输出的光功率之比。耦合效率是最重要的性能指标，高耦合效率可缩减耦合成本和减小耦合器的尺寸，其表达式为

CE=(1-R)ηD

(8)

式中：R为反射率；D为耦合器的方向性。

2) 反射率R是指光从波导传输至光栅时，反射回波导的光功率与入射光功率之比，其表达式为

(9)

3) 匹配因子η是指单模光纤与光栅光场重叠部分的积分，体现两者的匹配程度。在R、D等不变的情况下，η越大，耦合效率也随之增大，其表达式为

(10)

4) 方向性D是耦合进光纤的功率与耦合出光栅的光功率之比，即：

(11)

5) 偏振相关损耗(PDL)指对波导内横电模(TE)和横磁模(TM)偏振光的耦合效率变化的最大值。

6) 耦合带宽是指其耦合谱线的1 dB带宽和3 dB带宽。

2 基于SOI平台光栅耦合器的研究进展

2.1 均匀光栅

传统的均匀光栅耦合器，将其刻蚀在顶硅层为220 nm、隐埋氧化层为2 mm的SOI平台上。当周期Λ=634 nm，不外加底部金属反射镜。图5(a)为特定的波长下耦合效率与刻蚀深度e的关系。图5(b)为特定波长下耦合效率与占空比关系。通过控制刻蚀深度与占空比，此时最高耦合效率仍未超过60%[28]，这限制了光栅的发展。为了进一步提高耦合效率，HUA等[29]设计了一种刻蚀深度渐变的高效均匀光栅耦合器，图5(c)为刻蚀深度渐变的均匀光栅耦合器。图5(d)为耦合效率与波长的关系。该光栅耦合器的占空比为0.5，刻蚀深度为80 nm，在隐埋氧化层中分别引入了厚110 nm 和270 nm的Si，将透射到衬底的光进一步反射到光栅中再次衍射，最终得到了81%的耦合效率、80 nm的大带宽和8°的耦合角。

图5 传统均匀光栅和刻蚀深度渐变光栅的耦合效率对比

受衰减因子的影响，光栅的耦合模场沿传播方向呈指数衰减，只有部分光功率耦合进光纤内，造成耦合效率低。为减小这部分功率衰减，Wissem等[30]提出，通过调整光栅的FF和Λ，实现单模光纤与纳米SOI波导间的高效耦合，并考虑到工业上可实现的最小加载条r和凹槽g，自定义占空比：

(12)

对于波长1 550 nm的TE偏振光，带有底部金属反射镜的光栅1有26个周期，且Λ=600 nm，占空比为0.5，顶层硅厚250 nm，隐埋氧化层厚度为3 μm，刻蚀深度为70 nm，光纤的倾角为9°。经算法优化，确定rmin=87 nm，gmin=42 nm，并实现了-0.26 dB的耦合效率。光栅2、3在保持周期和刻蚀深度不变的情况下优化可得rmin=115 nm，gmin=60 nm，-0.33 dB的耦合效率和rmin=115 nm、gmin=110 nm、-0.41dB的耦合效率。如图6所示[30]，3种光栅理论上均可获得超过-0.5 dB的耦合效率和 43 nm宽的1 dB带宽。

图6 FF和L渐变的光栅耦合器及耦合效率

传统的均匀光栅耦合器通过改变周期、刻蚀深度、占空比等已很难将耦合效率提高到80%以上。为得到小尺寸、高效率及大带宽的光栅，研究人员改变光栅结构推导出倾斜光栅[31-32]、闪耀光栅[33-34]、二元闪耀光栅[35-36]及切趾光栅[37-38]等一系列高效率的光栅耦合器，将系统的集成化推到一个更高的层次。

2.2 倾斜光栅

倾斜光栅因其较高的耦合效率不仅是光栅耦合的最佳选项之一，也是一种理想的起偏器，具有较高偏振相关损耗PDL、低插入损耗、结构紧凑及与光纤器件兼容性高等一系列优点，被广泛应用在光纤传感和光纤激光器等领域[39-43]。

制备倾斜光栅的工艺主要有反应离子刻蚀(RIE)和聚焦离子束刻蚀(FIB)[44]。传统的RIE刻蚀需要保证样品表面垂直，对于倾斜光栅的刻蚀，则需采用特殊的工艺来实现。

1996年，Li等[45]掌握了亚微米级光栅的制造工艺，在全息曝光和显影后，采用特殊加工的法拉第笼法来改变RIE中的等离子体方向，但由于光栅槽形和占空比控制不佳，耦合效率并未达到峰值。Milier等[46]将样品倾斜30°，但受限于RIE不能加工有大倾角的倾斜光栅，且对薄膜表面损伤大，易造成污染，难以刻划出更精细的凹槽，所制备的光栅耦合效率仅为49%，相较于均匀光栅未有大的突破，未得到大规模的推广。后续研究人员在此基础上，研发新型设备反应离子刻蚀 (RIBE)[47]，采用计算机实现全自动工艺控制和清洗器件表面。Levola等[48]采用RIBE，将离子化的氩刻蚀束倾斜入射至基板，并通过向真空室内添加反应气体氟利昂，增加了SiO2和Cr之间的选择性。在入射光波长λ=532 nm，功率为0.2 mW时，1级衍射的理论衍射效率为83%，所得样品耦合效率可达80%，其结构如图7所示[48]。

图7 RIBE加工倾斜光栅

为进一步缩减光栅尺寸，提升其集成度，Wang等[49]设计了一款倾斜光栅耦合器(SLGC)。由于光栅耦合器的集成度高，且需要将其划分为多个矩形子光栅以近似SLGC，因此不能应用严格的电磁光栅理论如严格耦合波分析(RCWA)[50]和本征模扩展方法(EEM)[51]。综上所述，采用有限差分时域(FDTD)[52]分析和设计倾斜光栅，仿真如图8所示[49]。

图8 FDTD中均匀与非均匀倾斜光栅截面示意图

在2D-FDTD中，入射光为高斯光束，光纤纤芯和包层的折射率分别是1.507 3 和 1.46，倾斜光栅刻蚀在SOI波导顶部的Si3N4中，并用SiO2包住整个结构。基于强耦合机制，短周期光栅可实现高效耦合，因此，选定均匀倾斜光栅周期为1.026 3 μm,刻蚀深度为1.626 3 μm,占空比为0.23,光栅倾角为34.98°，仿真得到72.9%的耦合效率。为进一步提高耦合效率，采用非均匀倾斜光栅，SLGC中18个光栅脊的占空比在10%～90%内独立变化，其余变量与均匀倾斜光栅相同，最终可实现80.1%的耦合效率。与均匀倾斜光栅相比，非均匀倾斜光栅在仅改变占空比的情况下，耦合效率提高了7.2%。

LIGHTTRANS公司仿真设计了倾斜二进制光栅，采用RCWA对光栅结构进行优化，如图9所示[53]。在光栅倾角为34°，占空比为0.57，周期为405 nm、刻蚀深度为324 nm时，光栅+1级耦合效率可达93.659%，远超过均匀光栅耦合器的耦合效率(11.551%)，打破了光栅耦合器效率低的难题，为后续的发展提供了一定的选择。

图9 基于RCWA的倾斜光栅与均匀光栅耦合效率对比

Lu等[32]基于RCWA和模拟退火优化算法，开创性地设计了具有宽入射波长和折射率渐变的四层倾斜光栅。如图10所示[32]，光栅第一、四层均是Al2O3，折射率为nr1，厚度分别为h1和h4；第二层是TiO2，折射率为nr2，厚度为h2；第三层是折射率为nr3的Si层, 厚度为h3。光栅的倾角为γ，占空比FF=b/d(其中b为脊宽，d为周期)。仿真模拟发现，在d=699.3 nm，h1=531.7 nm，h2=547.7 nm，h3=972.4 nm、h4=814.9 nm，FF=0.338 8、γ=71.64°时，该光栅在可见光范围(550～680 nm)内的3 dB带宽为 130 nm，平均耦合效率为95%(TE与TM偏振)，PDL小于0.2 dB，入射角度范围为-2°～45°。

图10 折射率渐变的四层光栅结构示意图

由图10可看出，倾斜光栅的耦合效率普遍较高，但倾斜光栅加工难，工艺复杂。传统的RIE很难实现良好的光栅齿型和刻蚀深度的控制，FIB虽然可实现倾斜刻蚀，但刻蚀速度较慢，会出现刻蚀不动的情况，且FIB对工艺要求高，必须严格控制刻蚀深度和倾斜角度，与传统的CMOS工艺难以兼容。RIBE可以实现较好的控制，所制成样品虽有参差，但整体是优于RIE，且RIBE可以用于大规模制造倾斜光栅，这也是目前比较推荐的倾斜光栅的制备方法。

2.3 闪耀光栅

闪耀光栅的制作方法较多，如机械刻划法、全息干涉法、全息离子束刻蚀法及灰度曝光技术等[21, 54-57]。机械刻划法加工的闪耀光栅精密度低，误差大，粗糙度大，同时还带有其固有的“鬼线”，难以应用在高密度光栅和小闪耀角光栅上。

全息干涉法包含了驻波法[58]与傅里叶合成法[59-60]。驻波法通过调整薄膜与干涉光场的角度，在光刻胶内形成角度的倾斜，显影后即可在顶层硅上获得闪耀光栅。傅里叶合成法是将锯齿状闪耀光栅拆解为多个正弦形光栅，并通过曝光在光刻胶上形成所需光栅。全息干涉法虽克服了机械刻划法所固有的鬼线，但其加工的光栅闪耀角参数难以精细化控制，导致槽形变差，降低了光栅的耦合效率。

全息离子束刻蚀技术[61-62]继承了全息干涉法的无鬼线、高信噪比等特点，又因其制造成本低等原因，目前已被世界各大厂商引进。其原理与全息干涉法类似，但全息离子束刻蚀可精密控制光栅的高度、刻蚀深度及刻蚀速率等，其理论上可加工任意闪耀角的光栅。1976年，Aoyaga等[63-64]首次报道全息离子束刻蚀闪耀光栅，在砷化镓(GaAs)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基底上，加工了各种闪耀角(7°～26°)的光栅。

1998年，Osterried等[65]在全息离子束刻蚀的基础上提出，用浸渍涂覆(Dip Coating)法优化，将加工的大闪耀角的光栅浸入特定的溶液，随后烘干，即可获得高精度闪耀角的光栅，并用此方法制作出了闪耀角为0.69°的闪耀光栅。

图11 具有闪耀光栅的波导型HDM整体设计

近年来，灰度曝光技术[57, 66]也被应用在闪耀光栅的制作上，利用灰度掩模对入射光进行调控，获得不间断变化的曝光深度来实现闪耀光栅的槽形。Mouroulis等[57]采用灰度曝光技术加工了周期为20 mm的闪耀光栅，其最大耦合效率可达80%。Mattelin等[67]进一步拓宽该技术，实现了光学影像在PMMA波导内传输。通过光栅的衍射，将影像传输至眼前，达到成像的效果。其设计的闪耀光栅闪耀角为43°，周期为508 nm，占空比为0.66。图11为头盔显示器(HMD)的光学设计布局[67]。其中包括有用于图像传输的波导，用于将图像输入和输出的闪耀光栅及通过波导传输图案的光学引擎。加工的具有闪耀光栅结构的HDM输入效率为48.4%，输出效率为17.4%。

为进一步提高耦合效率，减小插入损耗，Su等[68]采用梯度算法来优化闪耀光栅耦合器。由于3D-FDTD与2D-FDTD仿真间的耦合效率差异小，当高斯光束波长聚焦在1 550 nm时，3D仿真效率为2D仿真效率的97%，但2D-FDTD可减小仿真所需时间，因此，采用2D-FDTD来建模光栅耦合器。如图12所示，光源采用高斯光束，所有仿真均在20 nm的空间离散化进行，仿真区域的边界条件为完美匹配层(PML)。实现了一种插入损耗低于0.2 dB、最小特征尺寸为50 nm、闪耀角为50°、1 dB带宽为26 nm、耦合效率为95%的闪耀光栅。此外，Su等在文中设计了其他类型的光栅耦合器，包括切趾光栅、双层光栅及多功能光栅耦合器。

图12 经梯度算法优化后的闪耀光栅耦合器

由于闪耀光栅固有的遮蔽效应[69-72]及对锯齿面及面粗糙度的要求越来越严格，现有工艺很难满足高精度闪耀角的加工，所以急需一种既可满足现有工艺发展水平，又能有大衍射效率的光栅，这推动了二元闪耀光栅的发展。二元闪耀光栅由一组宽度不同的光栅组成，根据形式双折射理论，通过改变光栅间的宽度，调整折射率分布可将其等效为折射率渐变的闪耀光栅[69, 73-74]。其在微纳集成光电子器件上有巨大的潜力，作为耦合器的同时还能实现滤波器、偏振分数器、反射器及模场转换器等[75-78]功能。

图13为双层二元闪耀光栅及仿真图。2007年，Feng等[23]提出了使用双层二元闪耀光栅耦合器的新型偏振分束器，将来自光纤的法向入射光根据偏振态分开，耦合到两个波导中。该耦合器上层用于TE模式的耦合，下层用于TM模式。TE与TM间的SiO2厚度无严格要求，但SiO2较薄可提高下层耦合器的耦合效率。由FDTD仿真结果可知，上层TE模式的耦合效率为58%，下层TM模式的耦合效率为50%。Feng同时指出，在基底添加分布式布喇格反射镜可提高耦合效率。

图13 双层二元闪耀光栅及仿真图

Xu等[36]提出了一种在SOI平台上完美实现倾斜耦合的高性能二元闪耀光栅耦合器，在工艺允许的范围内，对光栅的周期、刻蚀深度及子周期的占空比进行了模拟，在波长为1 550 nm时，其耦合效率为-1.78 dB，3 dB带宽为100 nm，插入损耗为-4.64 dB，如图14所示[36]。图14 (c)为光通过二元闪耀光栅，从单模光纤耦合到波导的过程，大部分光功率成功耦合到波导中，仅有少部分光功率泄露到高折射率的硅衬底中。

图14 二元闪耀光栅的SEM图及场分布图

在此前研究基础上,闪耀和二元闪耀光栅实现了高效耦合与TE、TM偏振同时耦合的问题，但两者在样品加工上还有一定弊端，闪耀光栅对于高精度闪耀角的需求很高，且对表面平滑度十分敏感。二元闪耀光栅制备的难点是最小宽度的凹槽难以实现，极易造成光栅的加工损耗，增加成本。相比于闪耀与二元闪耀光栅，切趾光栅更易加工。

2.4 切趾光栅

根据已有光栅设计，研究人员们将光栅的周期改为线性，在实现高效耦合的同时，降低了加工难度，实现变周期光栅耦合器(又称切趾光栅[37,79-82])。如图15所示，对比切趾光栅与普通光栅的输出光功率强度分布可看出，从波导耦合到光纤一侧时，切趾光栅充分发挥其变周期优势，将更多的光耦合进光纤内，减少光在自由空间的发散，从而大幅提升耦合效率。

图15 均匀光栅与切趾光栅输出光场对比

图16 不同顶层硅厚度下的光栅耦合效率

2010年，Chen等[53]设计并制作了一种基于SOI平台的切趾-均匀光栅耦合器，通过选择合适的顶硅层厚度，优化占空比，将前几个周期的光栅设计为切趾型，之后为均匀光栅，可得到-1.2 dB的耦合效率和45 nm的3 dB带宽。2015年，Angelo等[82]提出了一种切趾光栅，在无底部反射镜时，对SOI平台中的一维切趾光栅进行设计与优化。采用FDTD仿真所得切趾光栅耦合效率为65%，与具有相同刻蚀深度的均匀光栅相比，切趾光栅耦合效率提升了11%。当改变顶硅层厚度仿真实现89%的耦合效率，在考虑工艺对光栅的影响后，效率仍达85%，图16为顶硅层厚度S=220 nm和340 nm时最佳均匀、线性啁啾和切趾光栅耦合效率，以及切趾设计与均匀设计相比的绝对耦合效率增益(为了分辨，增加了50 nm的偏移)[82]。

Marchetti等[83]提出了一种简单实用的方法，通过优化占空比、周期和刻蚀深度，实现高效光耦合。与以往的切趾光栅不同，该光栅中周期是占空比的函数，占空比受线性切趾因子的影响，则有：

neff=FF·n0+(1-FF)·ne

(13)

FF=F0-T·z

(14)

(15)

式中：neff为有效折射率；n0，ne为光栅齿和刻蚀部分的折射率；F0为光栅的初始占空比；T为线性切趾因子；z为光栅实际位置到零点位置的距离，如图17(a)所示[83]。

图17 切趾光栅的横截图及设计原理

当T确定时，FF与z呈线性变化，将结果代入式(13)可得不同的有效折射率，从而得到不同的光栅周期。在权衡工艺的情况下，选择SOI平台顶硅层为260 nm，线性切趾因子T=0.025，F0=0.9，刻蚀深度为160 nm，仿真可得其耦合效率为83%；当T不变，刻蚀深度为230 nm，此时耦合效率为68%。由此看出，在保证其余因素不变时，若只增大刻蚀深度，耦合效率降低。SOI的顶硅层厚度为220 nm，根据T和刻蚀深度的不同，重新设计切趾光栅。当刻蚀深度为110 nm，T=0.027 5，耦合效率最大为70%。Marchetti指出，构建光栅周期与T、F0的关系式，进一步拓宽了切趾光栅的种类，但该方法也存在一定弊端，即F0对工艺要求较高，当F0=0.9时，该光栅的最小特征尺寸为60 nm，若进一步增大F0，虽在一定程度上可获得更高的耦合效率，但增加了制作难度，不利于实物的加工与测试。

除优化占空比和周期等因素，还可通过在1个周期内交错改变刻蚀深度，进一步提升切趾光栅的耦合效率。如图18(a)、(b)所示[84]，Luo等[84]采用粒子群优化算法(PSO)进行切趾设计，在标准SOI平台上，采用交错刻蚀使g1深度为70 nm，g2深度为220 nm。2D-FDTD仿真光耦合进波导的过程如图18(b)所示，可得CE=-2.2 dB。Luo同时指出，该方法所设计的光栅在加工时可采用最小特征尺寸为140 nm的商用硅光子工艺加工，若在隐埋氧化层中加入金属反射镜，则会进一步提升光栅的耦合效率，但增加成本及加工难度，不利于大规模生产。

图18 交错刻蚀和切趾光栅相结合的光栅耦合器

Kamandar等[38]采用机器学习技术和梯度伴随法来优化具有100多个变量的光栅耦合器，对于单模光纤直径为∅10.4 pm，波导长度为300 nm。通过FDTD仿真设计实现了在1 550 nm波长附近-0.35 dB的超高效率光栅耦合器。

通过光栅耦合器将硅光子高效、紧凑、新颖的耦合与封装到光纤上已成为基本要求，近年来，基于SOI平台的均匀、倾斜、闪耀、二元闪耀及切趾光栅耦合器发展迅速。表1为近期基于SOI平台光栅耦合器的耦合效率、带宽、刻蚀深度及周期等因素汇总。由表可发现，对于同一光栅，增加分布式布喇格反射镜(DBR)或金属反射镜可提升耦合效率，减小光在基底的吸收或在自由空间的发散。

续表

3 其他平台的光栅耦合器

自1990年铌酸锂晶体产业化以来，被尝试使用质子交换等技术来制备光波导，但受限于当时工艺，铌酸锂晶体的部分光学性能并未开发。随着工艺的突破和LNOI的出现，开启了铌酸锂在集成光学的应用大门[11, 103-106]。此后基于LNOI的光栅耦合器等各类高性能的产品涌现出来。

2017年，Chen等[107-108]为提升单模光纤(SMF)与LNOI上的光栅的耦合效率，设计、制备并表征了具有金属反射镜的光栅耦合器，测得其最大耦合效率为20.42%。同年，Chen仿真和实现了在LNOI平台上采用磁控溅射法沉积Si加载条的光栅耦合器，光栅通过聚焦离子束(FIB)刻蚀在Si加载条上，如图19所示[108]。由2D-FDTD仿真可知，在波长1 550 nm处，该结构的整体耦合效率为31.62%，实物的耦合效率为2%(-18 dB)。在此基础上，Yang等[109]将均匀光栅与亚波长光栅波导相结合，在LNOI上仿真并实现了脊波导光栅耦合器。该耦合器由均匀光栅、锥形直波导和短周期亚波长光栅波导组成，在1 550 nm波长附近，光栅周期为1.17 μm 时，对于TE偏振耦合效率可达-5.1 dB。

图19 光束从光纤到芯片、芯片到光纤的整体示意图及横截面图

2019年，Inna等[110]在Z切的LNOI上采用RIE法制备均匀光栅耦合器和汇聚型光栅耦合器，对于均匀光栅耦合器，选用TE偏振光，当Λ=0.92 μm，占空比为40%时，光纤到光栅的耦合效率为44.6%，光纤到光纤的耦合效率为20%。修改周期和占空比等参数后，选用TM偏振光，其单次耦合效率为19.4%。改用汇聚型光栅耦合器后，对于TE偏振光的耦合效率为19.4%。实物结构如图20所示[110]。

图20 基于LNOI的均匀性光栅耦合器汇聚型光栅耦合器

为实现耦合效率的跨越式提升，2020年，Kang等[13]在Z切铌酸锂上，通过在底部追加金属反射镜实现了LNOI上的切趾光栅，如图21(a)所示，该光栅耦合器由切趾光栅及均匀光栅组成。为进一步提高耦合效率，Kang等设计的光栅齿为梯形，并非传统的矩形，采用电感耦合等离子体刻蚀机(ICP-RIE)，加工精度为10 nm，所得样品在TE(TM)偏振下周期为0.909 μm 、1.057 μm，实测其耦合效率分别可达72%、61.6%。随后，Kang等采用PSO算法优化该结构，在TE偏振下耦合效率可达90%，刷新了基于LNOI上光栅耦合器的最高效率。

图21 基于LNOI的切趾光栅整体示意图及2D-FDTD中光从光纤耦合到波导的光场示意图

类似于SOI平台，LNOI因在铌酸锂薄膜和隐埋氧层间的高折射率对比度，使其成为了另一种可控的光学集成平台。基于LNOI的光栅耦合器不断成功，进一步打开了集成光子学的大门，研究人员在LNOI上成功实现了低损耗波导[111-112]、电光调制器[113]及微环谐振腔[114-117]等应用，为集成光学的可持续发展提供动力。

4 结论

片上高效光互联是当今热门话题之一，光栅以其高对准容差、高耦合效率、相对简单的加工方式，以及较小的尺寸增加了系统的灵活性和可集成度，现已广泛应用于集成光学、光谱分析、信号处理及空间光调制等领域。本文从原理、结构、主要性能参数对倾斜耦合的光栅耦合器分类进行了详细描述。

本文首先介绍了光栅耦合器的关键性能指标与布喇格条件，给出了光栅基本结构图，着重介绍了正倾斜耦合与负倾斜耦合的关系。基于正倾斜耦合，介绍了SOI平台上均匀光栅的耦合特点、发展现状。其次介绍了倾斜光栅与闪耀光栅，虽然倾斜和闪耀光栅都能达到较高的耦合效率，但都对偏振敏感，且制作精度高，难度大，对表面污染敏感。因此，本文又介绍了基于SOI平台的二元闪耀光栅和切趾光栅。二元闪耀光栅在达到高效耦合的同时又解决了偏振相关问题，但较小的周期性凹槽难以精密加工；而切趾光栅虽在现阶段不能解决偏振问题，但因其制造工艺简单，易加工，耦合效率高，成为近几年的研究热点。最后，介绍了基于LNOI平台的几种光栅耦合器，其效率也不断突破，目前耦合效率最高可达90%。

本文对光栅耦合器进行了详细的介绍，但目前对于光栅耦合器的研究仍处于实验阶段，并未实现产业化，对光栅耦合器的未来发展做以下展望：

1) 光栅的耦合效率仍是最重要的指标，实验研究也不断验证此观点。虽然通过增加底部金属反射镜和DBR可减少光在基底或自由空间的损耗，有效地提高光栅的耦合效率，但也增加了成本和加工难度，不易大规模生产，因此后续研究应在不额外增加成本的情况下，尽可能地提升耦合效率，达到高效的片上互联。

2) 与水平耦合器相比，基于SOI和LNOI的光栅耦合器带宽未实现大的突破。大量实验数据表明，光栅耦合器的3 dB带宽为100～150 nm，1 dB带宽为50～80 nm，小的带宽限制了耦合器的应用，今后的发展应着手突破带宽的限制。

3) 光栅耦合器的高对准容差简化了片上耦合的过程，但高对准容差带来的耦合效率分布不均难题并未得到很好地解决，光纤位置的调整极易改变光栅耦合器的耦合效率。在未来产业化过程中，应确保光纤与光栅的相对位置不变，从而实现耦合效率最大化。

随着制造工艺和研究工作的不断突破，光栅耦合器的耦合效率、偏振相关损耗及带宽等特性将不断提升，可以预见，光栅耦合器将沿着大规模应用的方向迅速发展，并逐步走向成熟，成为集成光学领域不可或缺的一环。