本期文章将介绍一种集成微透镜辅助光栅耦合器（ML-VGC）的设计，以提高垂直入射条件下的耦合效率[1]。利用热回流工艺将微透镜集成到一个标准的220nm的绝缘体上硅（SOI）光栅耦合器，这种集成方法在操纵垂直入射光的投射角方面提供了更大的灵活性，使其与底层光栅的最佳耦合角对准，从而有效地提高器件的总体耦合效率（CE）。从光纤到硅器件的高效光耦合是硅光子学中的关键技术。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面临限制，这对晶圆级器件测试提出了挑战。与端面耦合器相比，光栅耦合器具有灵活的放置、更高的对准公差以及无需表面抛光等优点，从而实现晶圆级测试并降低光纤封装成本。传统的光栅耦合器通常需要倾斜入射，通常约10°，以防止二阶反射。然而，垂直入射在特定应用中是必不可少的，原因在于其不仅可以简化多芯光纤（MCF）或垂直腔面发射激光器（VCSEL）的封装过程，还能减小由于传统光栅耦合器由于角度对准所占据更多的空间。现有的提高垂直入射光栅耦合器的耦合效率主要集中在专门设计光栅结构。例如，图1（a）中的结构采用阶梯型光栅[2]来实现非对称衍射，打破光栅区域的垂直对称性，以获得高方向性和高耦合效率。此外，还有一些方案是基于逆向设计优化出最佳参数，从而产生独特的光栅结构，以增强面外辐射并提高耦合效率，如图1（b）所示[3]，这些逆向设计方法都提供了较大的灵活性。虽然上述方法能增强耦合效率性能，但也面临制造的复杂性及容差等问题。
图1 不同类型的垂直光栅耦合器结构。（a）阶梯型光栅；（b）逆向设计型光栅
本期文章要介绍的是一种微透镜辅助的垂直光栅耦合器，其结构如图2所示。该器件是由SOI切趾的光栅耦合器，SiO2包层和柱面微透镜组成。其中，SiO2包层不仅可以保护光栅，还可以帮助控制入射光的角度。当光垂直入射时，会在微透镜和包层面发生两次折射，其满足斯涅尔定律。
需要优化的参数包括蚀刻宽度和光栅周期，以增强光纤和光栅之间的模式匹配。如图3所示，光栅被分成两个区域：变周期区域和均匀周期区域。在可变周期区域中，80nm的初始蚀刻宽度w0由制造可实现的最小线宽确定，并且蚀刻宽度随着每个后续循环增加100nm。均匀周期区域中的蚀刻宽度保持恒定，与可变周期区域中的最终周期的宽度相匹配。而对于微透镜成像系统，可通过粒子群优化（PSO）进行优化，包括微透镜的长度Dl、高度h以及微透镜的中心与变迹光栅的中心之间的距离lx。
图4显示了仿真结果，优化后ML-VGC的电场如图4（a）所示。很明显，垂直入射光在通过透镜后发生偏转，并以适当的入射角耦合到光栅中。图4（b）比较了裸光栅耦合器、SiO2覆盖的光栅耦合器以及ML-VGC的耦合效率。结果显示，裸光栅耦合器在1550nm处的峰值耦合效率为−5.78dB；而SiO2覆盖的光栅耦合器中心波长偏移至1560nm；通过微透镜辅助角度控制的ML-VGC的性能提高到-3.06dB。此外，图4（c）和图4（d）展示了透镜位置偏差和高度偏差对耦合效率的影响。对于高达±500nm的位置误差，耦合器的中心波长偏移约±2.5nm，CE波动小于0.3dB；当制作的微透镜的高度偏差达到±500nm时，耦合器的中心波长漂移约±5nm，CE起伏小于0.1dB。仿真结果表明，ML-VGC在对制造误差具有较高容限的同时，有效地提高了耦合性能。
（b）不同结构耦合效率的数值比较；
（c）微透镜位置误差对耦合效率的影响；
（d）微透镜高度误差对耦合效率的影响
本文介绍了一种微透镜辅助光栅耦合器的设计，以提高垂直入射条件下的耦合效率。微透镜通过热回流工艺制造，集成到浅蚀刻切趾光栅耦合器上。通过操纵垂直入射光的透射角，微透镜有效地将入射角与下面的光栅的耦合角对准。与现有的垂直光栅耦合器相比，这是一种提高耦合效率更通用的方法，将设计和制造的简单性与使用纳米压印光刻的大规模集成的兼容性相结合。这些优势使纳米结构成为高性能光学检测、光学成像、实时生化传感等领域的有希望的候选者。
对于上述结构的仿真流程，可以参考Ansys官网中的案例文章《Integrated microlens and grating coupler for photonic integrated circuits》。其大致流程以及所需使用的仿真软件如图5所示。相关链接：https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/21008392675347-Integrated-microlens-and-grating-coupler-for-photonic-integrated-circuits步骤1：使用Lumerical进行尺寸参数设计
使用Ansys Lumerical中的FDTD求解器计算光栅输出端的电场。然后将结果导出到.zbf文件中。步骤2：使用Zemax进行宏观设计
将步骤1中的.zbf文件导入OpticStudio，并使用光束属性将光进一步传播到光学系统中。步骤3：使用Zemax进行宏观逆向系统设计
在此步骤中，开始设计系统，考虑光从光纤通过微透镜传播到光栅耦合器。步骤4：使用Lumerical的微结构逆向系统设计
此步骤将利用Zemax中POP计算出的场数据导入Lumerical中，计算系统的耦合效率。
参考文献：
[1] Lei, Lei, et al. "Integrated microlens-assisted perfectly vertical grating coupler for enhanced coupling efficiency." Optics Express 32.26 (2024): 45851-45859.
[2] Asaduzzaman, Md, et al. "Vertical Injection and Wideband Grating Coupler Based on Asymmetric Grating Trenches." arxiv preprint arxiv:2110.14085 (2021).
[3] Yoon, J., Kim, J. Y., Kim, J., Yoon, H., Neşeli, B., Park, H. H., & Kurt, H. (2023). Inverse design of a Si-based high-performance vertical-emitting meta-grating coupler on a 220 nm silicon-on-insulator platform. Photonics Research, 11(6), 897-905.