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摘要
硅光子学最有吸引力的一个方面是它能够提供极小的光学元件，其典型尺寸比光纤器件的尺寸小一个数量级。这种尺寸差异使得光纤到芯片接口的设计具有挑战性，多年来，在该领域激发了大量的技术和研究工作。光纤到硅光子芯片接口可以大致分为两大类:面内和面外耦合器。属于第一类的器件通常提供相对较高的耦合效率、较宽的耦合带宽(波长)和较低的偏振依赖性，但是需要相对复杂的制造和组装过程，这与晶片级测试不直接兼容。相反，面外耦合器件效率更低，带宽更窄，并且通常与偏振相关。然而，它们通常与大批量制造和封装工艺更兼容，并且允许在晶片上接近光学电路的任何部分。在这篇文章中，我们回顾了光子集成电路的光耦合器的当前技术水平，旨在给读者一个全面和广阔的视野，确定每种解决方案的优缺点。由于光纤到芯片耦合器与封装技术有着内在的联系，光学封装的共同设计变得至关重要，我们还回顾了目前用于封装和组装具有硅光子集成电路的光纤的主要解决方案。
介绍
光学技术已经彻底改变了通信领域，允许通过光纤进行现代高带宽跨洋传输。在过去的十年中，硅光子学已经成为实现光收发器和光处理器的平台，旨在为电信和数据通信应用提供低成本和高性能的组件。使用硅(Si)波导作为基本元件，可以实现多种光学组件。
光耦合的不同结构的概念
本节专门分析利用端火耦合方案的耦合解决方案。通常，当采用这些方案之一时，需要根据耦合方案来定制输入和输出光纤；因此，仔细选择合适的纤维几何形状至关重要。waveguidewidth是光传播的径向方向，在末端下降到一个小值。随着波导尺寸的减小，导模受到的约束越来越小，其有效截面增大，而其有效折射率减小.这种允许耦合到(通常是透镜的)光纤的耦合损耗由芯片面的反射、光纤到尖端的模式失配以及沿锥形SOI波导的模式转换损耗等影响决定。实现高效平面ECs的另一种解决方案是使用亚波长光栅(SWGs)[35–37]，而不需要覆盖的SSC。
图1
单偏振光栅耦合器
在气相色谱结构中，折射率变化可以是周期性的(均匀气相色谱)或非周期性的。非周期光栅结构通常被称为“切趾”光栅。周期性折射率变化是通过部分蚀刻具有蚀刻深度e的硅波导而产生的，因此限定了具有长度LE和原始厚度(即。未蚀刻)长度为LO的齿。周期λ被定义为每个散射单元的长度，因此光栅填充因子(FF)可以定义为未蚀刻的齿LO和光栅周期λ之间的比率。
总耦合效率
耦合到光纤基模的光功率与沿波导(Pwg)传播的光功率之比。由于互易定理，它可以应用于线性开放系统如硅光栅，如果我们考虑单模波导和单模光纤，输出配置中的CE(即，。光从PIC波导传播到光纤)并且在输入配置中(即光从光纤耦合到PIC波导)完全相同。
图 3
2D光栅耦合器
1D-GC通常表现出很强的偏振敏感性，并且仅针对一种偏振态提供最佳的CE。虽然某些采用亚波长特性的1D-气相色谱设计可以克服这种偏振相关问题，但2D-气相色谱为光纤到光子晶体光纤耦合提供了一种替代解决方案，其中光纤模式具有未知或不稳定的偏振状态。在其最简单的形式中，2D-气相色谱可以被视为两个正交取向的1D-气相色谱的叠加，每个都将来自光纤模式的光耦合到SOI-PIC表面上的TE偏振波导模式。
结论和展望
硅光子学无疑改变了集成光学的范式。三个主要方面推动了他们的研究工作:(一)有效地将光束耦合进耦合出硅光子PIC的能力，(二)带宽和偏振相关损耗，以及(三)在高密度互补金属氧化物半导体兼容的制造环境中实现任何建议的器件并用实用和现实的技术封装它的可能性。自然，历史上研究过的第一种方法是边缘耦合技术，在这种技术中，光被挤压到硅光子器件中，而不改变其传播方向。GCs引入了一种不太直观的方法，它显示出自己是一种极其强大的工具，可以从面外方向将光耦合到硅光子图像，从而促进晶圆级测试和电路诊断。不可否认的是，边缘耦合策略提供了比使用气相色谱设备通常可实现的更好的性能(更高的耦合效率、几乎平坦的带宽和无偏振相关损耗)。
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