前言 #

在芯片端面实现光纤与片上波导高效耦合的常用器件有两种，分别是光栅耦合器（grating coupler）和边缘耦合器（edge coupler）。光栅耦合器能够在芯片任意位置进行垂直或带角度的耦合，并且无需在芯片边缘进行额外的处理，但由于其基于色散原理，工作带宽可能受到限制；边缘耦合器的工作原理与波长无关，能够提供更大的工作带宽，但需要在芯片边缘进行额外的切割和抛光工艺来制作耦合端面，目前广泛应用于光纤到芯片的低损耗水平耦合接口、芯片端面的光输入/输出（I/O）以及晶圆级测试中的光探针耦合等领域。通过在芯片边缘构建一个渐变的模场过渡结构，边缘耦合器能够将光纤中尺寸较大的光斑模式逐步转换并压缩至片上波导中，从而解决两者之间严重的模场失配问题，是实现光纤到芯片低损耗光互连的基础性元件。下表总结了两类耦合器的主要特点：

特性	光栅耦合器	边缘耦合器
耦合方向	垂直或带角度	水平方向
耦合损耗	较高	低
工作带宽	窄	极宽
芯片边缘处理	无需	需要切割和抛光
耦合位置	芯片任意位置	芯片边缘

本征模扩展（EME）求解器可以沿传播方向将器件离散为多个均匀截面单元，并计算相邻单元之间的 S 参数，快速获得整个结构在任意长度下的光谱响应，尤其适用于锥形波导长度扫描及优化。本案例根据参考文献 [1]，利用本征模有限差分（FDE）求解器与 EME 求解器，建模仿真了一种工作波长为 1550 nm、能够在常规 SMF-28 单模光纤与芯片之间实现高效光耦合的片上集成绝缘体上硅（silicon-on-insulator, SOI）边缘耦合器。

仿真设置 #

结构模型 #

本案例所使用的 SMF-28 单模光纤由包层（cladding）和纤芯（core）组成，其中纤芯半径为 4.1 μm，折射率为 1.44；包层半径为 20 μm，折射率为 1.434816。边缘耦合器结构示意图如下所示，参考文献 [1] 的边缘耦合器有三个重要的组成部分，分别是：

• 三层 Si3N4 波导结构（用于将光场扩展为更宽的波导模式，以提高与光纤模式的兼容性）；
• 反向锥形硅波导（其宽度随器件的长度变化）；
• 亚波长光栅结构（将模式的有效折射率从 Si3N4 逐渐降低到 SiO2 ）。

在仿真工程中，本案例并未实际构建亚波长光栅结构，而是采用了等效的渐变折射率来近似，即假设 Si3N4 层的有效折射率能够沿器件长度方向从 Si3N4 的有效折射率逐渐变化至 SiO2 的有效折射率。仿真文件使用结构组（Structure Group）统一更新结构的几何参数，任何结构修改均需通过结构组完成，一次参数修改可同时作用于多个结构，显著提升效率。

EME 求解器设置如下。中心波长为 1.55 μm；在 EME 求解器设置中定义 3 个单元格组（cell groups），每个单元格组采用 20 个模式进行计算，其中单元格组 2 为锥形波导区域，还包括了替代亚波长光栅的渐变折射率结构。为了使单元格组的子单元大小与渐变折射率的结构单元大小相匹配，设置单元数量为 45，即每个单元的长度为 10 μm，与渐变折射率结构的单元长度一致。

一般情况下，由于光纤与芯片端面处的波导截面结构不同，为了准确捕获光纤/芯片界面上的透射与反射特性，需要在界面两侧各放置一个 EME 单元。本示例中的 S 参数结果是在假定光纤与芯片端面之间为零间隙（直接接触）的条件下计算的，能够反映该界面处的反射特性。若需进行封装级精度设计，则还应将光纤和芯片周围的封装环境纳入仿真，使 S 参数结果能够包含由封装引入的额外损耗。

在边界条件的设置上，对于锥形波导器件，通常使用完美电导（PEC）边界条件，这是因为散射光主要以高阶非束缚模式的形式向外传播，衰减迅速，重新耦合回基模的光几乎可以忽略不计。在本案例中，除了在 Y 轴最小边界（Y axis min）使用反对称（Anti-Symmetric）边界条件外，其余边界均使用 PEC 边界条件。

仿真结果 #

光纤位置的 FDE 优化 #

打开附件 edge_coupler_no_substrate.mpps 工程，并运行 edge_coupler_FDE.msf 脚本。脚本将启用 FDE 求解器，分别针对仅包含 SMF-28 光纤和仅包含边缘耦合器的模型进行仿真，提取二者的 TE 基模；随后计算两个基模的重叠积分（overlap），并在一定范围内对 SMF-28 的模式施加空间偏移，获得重叠积分的最大值及其对应的 SMF-28 光纤位置。如下所示，经过位置扫描后，两个模式的最大重叠积分为 0.784。

The overlap before optimize position is 0.758635
After optimize position, the maximum overlap is 0.783964
The best location of SMF-28 is:
    x pos = 0.00 um,
    y pos = -0.05 um,
    z pos = -0.44 um

锥形波导长度的 EME 优化 #

根据 FDE 的仿真结果，将光纤调整到耦合效率最高的位置，然后在同一个工程中运行 edge_coupler_EME.msf 脚本。该脚本会在禁用 FDE 求解器的同时启用 EME 求解器，并运行一个同时包含 SMF-28 光纤和边缘耦合器结构的 EME 仿真工程。脚本运行完毕后，通过 EMEProfileMonitor 监视器可直观观察到电场的渐变分布。该结果清晰验证了边缘耦合器的模斑转换（Spot Size Converter，SSC）功能，即能够将光纤中较大的模场平滑过渡并高效耦合至片上波导的亚微米级极小光斑中。

此外，脚本还会运行一个 EME 传播长度扫描（propagation sweep），将单元格组 2 的长度从 10 μm 扫描至 2000 μm，扫描点数为 100，结果如下。当锥形波导的长度约为 1550 μm 时，耦合效率达到最大。

参考文献 #

[1] M. Papes, et al., "Fiber-chip edge coupler with large mode size for silicon photonic wire waveguides," Opt. Express, 24(5), 5026-5038 (2016).