摘要

由于對高比特率光互連的需求不斷增長，硅光子學（SiPh）技術得到了相當多的關注。由于硅光子芯片和單模光纖（SMFs）之間的光斑尺寸差異而導致的低耦合效率仍然是一個具有挑戰性的問題。

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展器（polymer spot size expander，SSE）器件。采用自寫波導（self-written waveguide，SWW）技術和紫外光固化樹脂浸漬法制備SSE具有較高的可重復性。

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 。

設計與制造

計算了SSE的最佳形狀。SSE的結構和計算中使用的參數如圖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，信號波長為 λ = 1.55μm 。此外，假設為高斯光束，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結構和計算參數。來自SSC的光束（2ω0）在SSE內被擴展；隨后，微透鏡將光斑直徑轉換為2ω2（10μm）。

在波長為1.55μm時，假設SiPh芯片ω0的光束半徑為1.915μm。計算得到的光束直徑2ω1如圖2(a).所示對于高度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。(b)光斑大小2ω2和光斑位置Z與微透鏡曲率半徑R的關系。

隨后， 利用微透鏡的凸透鏡效應對高斯光束的波前進行了轉換 。光斑尺寸2ω2和光斑位置Z作為微透鏡曲率半徑R的函數計算如下：

SSE高度L為30μm時的2ω2和Z的計算值如圖2(b).所示， R = 12μm和Z = 6.96μm的光斑大?。?ω2）約為10μm 。斑點位置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直徑為 24μm的熱膨脹芯（thermally expanded core，TEC）光纖 ，因為它比使用光掩模相對簡單。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的激光束作為監測信號進行精確對準。對TEC光纖的端面進行了抗粘附處理。對齊后，TEC光纖被稍微遠離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，同時保持柱高度的設計值。 紫外光固化樹脂（(NP-001R, SUNCONNECT）在波長為1.55μm時的折射率為1.573 。

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

(4)未固化的樹脂被清洗掉，一根柱子出現了。

(5)采用浸漬法在柱上制作了一個微透鏡。該浸漬方法可方便地在有限面積內制備微透鏡。帶有柱狀結構的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。當柱子的尖端接觸到樹脂時，它迅速向上拉里，脫離載玻片。

(6)附著在柱頂的樹脂通過波長為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。

測試結果

圖4 (a)對SiPh芯片與SSE和SMF之間的耦合效率的測試設置，顯示了測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，但在1.55μm或1.30μm的波長區域卻很小。由于結構簡單，推測SSE本身在1.55μm波段上引起的波長色散非常小。