High-efficiency self-focusing metamaterial grating coupler in silicon nitride with amorphous silicon overlay
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Efficient fiber-chip coupling interfaces are critically important for integrated photonics. Since surface gratings diffract optical signals vertically out of the chip, these couplers can be placed anywhere in the circuit allowing for wafer-scale testing. While state-of-the-art grating couplers have been developed for silicon-on-insulator (SOI) waveguides, the moderate index contrast of silicon nitride (SiN) presents an outstanding challenge for implementing efficient surface grating couplers on this platform. Due to the reduced grating strength, a longer structure is required to radiate the light from the chip which produces a diffracted field that is too wide to couple into the fiber. In this work, we present a novel grating coupler architecture for silicon nitride photonic integrated circuits that utilizes an amorphous silicon (α-Si) overlay. The high refractive index of the α-Si overlay breaks the coupler’s vertical symmetry which increases the directionality. We implement subwavelength metamaterial apodization to optimize the overlap of the diffracted field with the optical fiber Gaussian mode profile. Furthermore, the phase of the diffracted beam is engineered to focalize the field into an SMF-28 optical fiber placed 55 µm above the surface of the chip. The coupler was designed using rigorous three-dimensional (3D) finite-difference time-domain (FDTD) simulations supported by genetic algorithm optimization. Our grating coupler has a footprint of 26.8 × 32.7 µm2 and operates in the O-band centered at 1.31 μm. It achieves a high directionality of 85% and a field overlap of 90% with a target fiber mode size of 9.2 µm at the focal plane. Our simulations predict a peak coupling efficiency of − 1.3 dB with a 1-dB bandwidth of 31 nm. The α-Si/SiN grating architecture presented in this work enables the development of compact and efficient optical interfaces for SiN integrated photonics circuits with applications including optical communications, sensing, and quantum photonics.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,000 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,000 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».