硅光系列2：什么是光栅耦合器？

上一回”硅光系列1：如何让光从光纤平滑地进入波导？“，我们提到可以用光栅耦合的方案。

下面我们就来看看光栅耦合器是什么。

光栅耦合器是一种连接光纤或自由空间与硅基绝缘体上硅（SOI）波导的光学接口器件，简单点说就是将硅芯片和光纤相互耦合的器件。利用的是光栅的衍射反射等特性，使得特定模式的光束能够从一个环境耦合到另一个环境。

光纤耦合器分为输入光纤耦合和输出光纤耦合器。如上图是输出光纤耦合的示意图：

上图中，从波导注入基模TE，然后耦合到光纤中，当光进入光栅耦合器时，它会根据光栅的设计，将光分成不同的传播方向：一部分光向上衍射并被光纤接收（Pup），一部分向下衍射进入衬底（Pdown），还有一部分向前传输并透射，以及一部分向后反射。

对于输入光纤耦合器，则相反，是从光纤纤芯注入基模 TE，通过光栅耦合到波导中。

为了更好的展示光耦合器的内部构成，我们画一个输入光纤耦合器的剖面图：

从上图中我们可以看到这种光栅耦合器的内部结构,由几层不同的材料组成：最上层是上包层，这层可以是空气或者是某种氧化物，再是硅波导芯层，是光传输的通道；然后紧挨着的是埋氧层，也就是BOX层，它位于硅波导的下方。最后是整个结构下面的硅衬底。其中我们用Pfiber表示射入光纤的功率，用Pwg来表示进入耦合器的光功率，而Pup和Pdown则分别代表了向上传输和向下进入衬底的光功率。这些参数共同决定了光栅耦合器的工作效率和性能。通过上面几个参数的定义，我们可以计算出光栅耦合器的耦合效率，也就是是插入损耗 IL：

还可以计算出，穿透损耗：

其中，光栅耦合器最重要的性能就是耦合效率，这直接决定有多少的光会从片外传输到片内。影响光纤耦合器的耦合效率主要有三个因素，分别是透射损耗、模式失配和背向反射。

• 透射损耗：

浅蚀刻工艺中，衬底中约有30%的光能量损耗。全蚀刻工艺中，透射损耗可超过50%。

• 模式失配:

光栅耦合器和光纤之间的模式不匹配会导致另外10%的能量损耗。

• 背向反射:

设计良好的浅蚀刻光栅耦合器背向反射很小（如-30dB），不是损耗的主要来源，但在全蚀刻工艺中，背向反射可高达30%。

下一回我们来说说具体这些因素是怎样导致光纤耦合器的耦合效率低下的。

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