硅基芯片与光纤耦合及封装

前言

随着硅基光子集成的设计与工艺条件逐步完善，芯片上各类有源、无器以及它们组合而成的光模块，目前已经能够很好地实现小尺寸下信号处理。对于一个完整的光通信链路，常由“发射端 ——传输介质 ——接收端”三部分构成，而集成芯片上的光信号处理，其传输介质仍由传统光纤结构完成。因此，如何实现芯片和光纤中波的高效率耦合以保证通信链路号传输质量，是一个值得关注的问题。

波导与光纤耦合问题

硅基光集成芯片可以在很小的尺寸之下实现对信号处理，但是端与间光信号传输主要还是依靠光纤来进行的。一个基本的硅光互连结构如图所示，它是由一个发射芯片、一个接收芯片以及一段光纤组成的。首先在发射芯片端通过硅基调制器将电信号加载到光上面，产生然后耦合纤中传向接收芯片。基调制器将电信号加载到光上面，产生光信号，然后耦合到光纤中传向接收芯片。接收芯片将光纤中的信号耦合进来以后，先利用硅基解调器将其进行光解调，最后用锗硅探测器将解调后的光信号转化为电信号。从中可以看到，一个基本的硅基光互联结构需要两次芯片与光纤的耦合，然而随着器件的尺寸大幅度减小，芯片与光纤之间的耦合会遇到很大的挑战。
基本的硅基光互连结构
芯片与光纤耦合的困难在于光纤和硅波导的截面尺寸差距过大。如图所示，单模光纤的纤芯直径在10 μm 左右，而硅基单模波导的截面尺寸为500nm x 220nm 左右，若两者直接对接耦合，会产生非常大的耦合损耗。为了克服硅基光集成芯片与光纤的耦合问题，国内外的研究人员开展大量的探索，提出了许许多多的方案，在这些方案中，水平耦合方案和光栅耦合方案是目前应用最广的两种方案。
单模光纤与硅基单模波导横截面对比图

波导与光纤耦合方案

1.光栅/垂直耦合

垂直耦合指光纤与芯片波导基于相互垂直的位置关系，光波通过芯片表面衍射作用在光纤与芯片波导间进行耦合，这种方式的代表器件为光栅耦合器。光栅耦合器是一种通过在芯片波导中引入周期性刻槽结构，由比利时根特大学的 D. Taillaert等人于 2002年基于 Ⅲ-Ⅴ族材料衬底首次设计实现。光栅耦合器利用布拉格衍射条件，实现光纤和波导的耦合。如下图所示。
光栅耦合器典型结构示意图

2.端面/水平耦合

水平耦合是指光纤与芯片波导基于相互平行的位置关系，光波通过芯片端面模斑尺寸转换作用在光纤与波导间进行耦合，这种方式的代表器件为倒锥波导耦合器。倒锥波导耦合器是一种在芯片端面利用拉锥结构对耦合模场进行绝热演化，以实现光纤与芯片间模场匹配的耦合结构，通常也被称为模斑转换器（ Spot size converter, SSC），其典型结构的俯视图如图所示。
倒锥波导耦合器的典型结构示意图

光纤阵列结构及关键参数

光纤阵列包括：①基板，②盖板，③光纤，④光纤固定胶，⑤光纤保护胶，⑥光纤带以及研磨角度α。关键参数包括：通道数与通道间隔，研磨角度，工作带宽，插入损耗，插入损耗均匀性，偏振相关损耗，回波损耗，工作温度等。
光纤阵列结构示意图
为保证光纤的固定效果，光纤阵列V槽设计需要满足一定的关系，具体如下图所示。