摘要

由于對(duì)高比特率光互連的需求不斷增長，硅光子學(xué)（SiPh）技術(shù)得到了相當(dāng)多的關(guān)注。由于硅光子芯片和單模光纖（SMFs）之間的光斑尺寸差異而導(dǎo)致的低耦合效率仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問題。為了解決這一問題，Yoshiki Kamiura等人在硅芯片的端面制造了一種新型的聚合物**光斑尺寸擴(kuò)展器（polymer spot size expander，SSE）**器件。

采用自寫波導(dǎo)（self-written waveguide，SWW）技術(shù)和紫外光固化樹脂浸漬法制備SSE具有較高的可重復(fù)性。在波長為1.55μm的情況下，SiPh芯片的原始3.83μm的光斑尺寸擴(kuò)展到約7.82μm， SMF的最大耦合效率為-0.88dB。此外，沿垂直光軸的-3db公差為±4.4μm 。

設(shè)計(jì)與制造

計(jì)算了SSE的最佳形狀。SSE的結(jié)構(gòu)和計(jì)算中使用的參數(shù)如圖1所示。首先，確定了高度。SSE高度為L，SSE紫外樹脂的折射率為nr，信號(hào)波長為 λ = 1.55μm 。此外，假設(shè)為高斯光束，光束半徑ω1增加為：

其中，ω0為具有SSC的SiPh芯片的出射光斑半徑。

圖1。提出的SSE結(jié)構(gòu)和計(jì)算參數(shù)。來自SSC的光束（2ω0）在SSE內(nèi)被擴(kuò)展；隨后，微透鏡將光斑直徑轉(zhuǎn)換為2ω2（10μm）。

在波長為1.55μm時(shí)，假設(shè)SiPh芯片ω0的光束半徑為1.915μm。計(jì)算得到的光束直徑2ω1如圖2(a).所示對(duì)于高度L為30μm的SSE， 光束直徑2ω1增加到大于10μm 。因此， 將SSE高度L設(shè)置為30μm 。

圖2。(a)光束直徑2ω1作為耦合器件高度L到微透鏡的函數(shù)。(b)光斑大小2ω2和光斑位置Z與微透鏡曲率半徑R的關(guān)系。

隨后， 利用微透鏡的凸透鏡效應(yīng)對(duì)高斯光束的波前進(jìn)行了轉(zhuǎn)換 。光斑尺寸2ω2和光斑位置Z作為微透鏡曲率半徑R的函數(shù)計(jì)算如下：

SSE高度L為30μm時(shí)的2ω2和Z的計(jì)算值如圖2(b).所示， R = 12μm和Z = 6.96μm的光斑大?。?ω2）約為10μm 。斑點(diǎn)位置Z被定義為到SSE端面的距離。采用浸漬法制備曲率半徑R為12μm的微透鏡，幾何確定微透鏡直徑為24μm。因此，要制作的 柱的直徑D為24μm 。

在制作中使用了一種模場(chǎng)直徑為 24μm的熱膨脹芯（thermally expanded core，TEC）光纖 ，因?yàn)樗仁褂霉庋谀Ｏ鄬?duì)簡(jiǎn)單。制作過程如下：

(1)SiPh芯片和TEC光纖水平放置，無間隙。它們使用1.55μm的激光束作為監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)。對(duì)TEC光纖的端面進(jìn)行了抗粘附處理。對(duì)齊后，TEC光纖被稍微遠(yuǎn)離SiPh芯片。

(2)將紫外固化樹脂粘在TEC光纖的端面，將TEC光纖靠近SiPh芯片，同時(shí)保持柱高度的設(shè)計(jì)值。 紫外光固化樹脂（(NP-001R, SUNCONNECT）在波長為1.55μm時(shí)的折射率為1.573 。

(3)用TEC光纖側(cè)405nm激光照射固化。照射時(shí)間為15 s，光輸出功率約為1.5μW。

(4)未固化的樹脂被清洗掉，一根柱子出現(xiàn)了。

(5)采用浸漬法在柱上制作了一個(gè)微透鏡。該浸漬方法可方便地在有限面積內(nèi)制備微透鏡。帶有柱狀結(jié)構(gòu)的SiPh芯片被垂直放置。柱子的尖端慢慢地靠近了載玻片上的薄涂層樹脂。當(dāng)柱子的尖端接觸到樹脂時(shí)，它迅速向上拉里，脫離載玻片。

(6)附著在柱頂?shù)臉渲ㄟ^波長為365 nm的LED光照射固化。

圖3。柱、微透鏡的制作工藝：(1)定位無間隙的SiPh芯片和TEC光纖；(2)有間隙；(3)用TEC光纖輸入405nm激光照射固化；(4)去除未固化樹脂；(5)將樹脂附著在柱端形成微透鏡；(6)附著在柱端的樹脂固化。

測(cè)試結(jié)果

圖4 (a)對(duì)SiPh芯片與SSE和SMF之間的耦合效率的測(cè)試設(shè)置，顯示了測(cè)量的和理論的耦合效率和位置公差。(b)平行于光纖光軸的位移，Z。(c)距光纖光軸的水平位移，X。(d)與光纖光軸的垂直位移，Y。

圖4(b)中的最大耦合效率為距離SSE端部 22μm ，因此，SMF被放置在相同的位置。對(duì)于SSE的SiPh芯片和無SSE， 沿水平光軸（x軸）的?3dB公差為±3.1μm ， 沿垂直光軸（y軸）的?3dB公差為±4.4μm ，雖然紫外光固化樹脂的色散與波長有關(guān)，但在1.55μm或1.30μm的波長區(qū)域卻很小。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推測(cè)SSE本身在1.55μm波段上引起的波長色散非常小。