0113002-1第43卷第1期/2023年1月/光学学报研究论文氮化硅片上光栅耦合器的优化和实验冉娜，陈昕阳，汪正坤，张洁*重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室，重庆400044摘要在785nm激励的拉曼片上传感器结构中，氮化硅片上光栅耦合器的性能直接关系到激励光的耦合效果。首先建立了光栅耦合器的二维、三维结构模型，采用时域有限差分（FDTD）仿真软件对光栅耦合器进行数值分析。以耦合效率为主要性能指标，分析了光源入射角度、光栅常数、光栅高度、填充因子和光栅刻蚀深度各参数的影响。采用电子束光刻法制备了光栅耦合器。最后，对三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器进行了测试。结果表明，二维波导光栅耦合器的性能最好，其耦合效率可达39.64%，三维全刻蚀聚焦波导光栅耦合器在实际测试中的耦合效率能达19.91%。光栅耦合器能有效将光耦合进波导中，在波导传感中具有潜在的应用。关键词集成光学；光栅耦合器；氮化硅波导；结构优化；耦合效率中图分类号TN26文献标志码ADOI：10.3788/AOS2213071引言拉曼光谱检测系统片上化集成是目前拉曼光谱技术的研究热点，其将波导与拉曼相结合［1-3］。其中，有效地将激励光波耦合进波导对于拉曼光谱传感和信号采集尤其重要，目前该过程主要采用波导光栅耦合器来实现。波导光栅耦合器主要分为直波导光栅耦合器和聚焦波导光栅耦合器两类。赵然等［4-5］设计了亚波长光栅耦合器，其耦合效率高达90%。Sacher等［6］设计了一种对氮化硅和硅进行相间刻蚀的直波导光栅耦合器，该光栅耦合器在C波段附近能实现高耦合效率，耦合效率最高达-1.3dB。Benedikovic等［7］设计了一种在220nm厚的SOI（silicon-on-insulator）衬底上进行阵列刻蚀的直波导光栅耦合器，该光栅耦合器在1550nm和1300nm波长附近分别实现了-1.97dB和-1.61dB的耦合效率。Gao等［8］设计了一种直硅波导光栅耦合器，将其作为角度检测器，检测角度范围为25°。Larrea等［9］通过半解析法设计了一种直硅波导光栅耦合器，在1550nm和1300nm波长附近实现了50%的耦合效率。Hong等［10］设计了一种包括分段光栅的直硅波导光栅耦合器，在1550nm波长处实现了51.70%的耦合效率。Xu等［11］设计了一种增加金属膜和反射光栅的聚合物直波导光栅耦合器，在1550nm波长下，其最高耦合效率为51.30%。vanLaere等［12］设计了一种聚焦型波导光栅耦合器，在1550nm波段附近实现了20%的耦合效率。Zhao等［13］结合聚焦光栅和逆锥度设计，制备了聚焦波导光栅耦合器，其在C波段的耦合效...
