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Low-loss grating coupler based on inter-layer mode interference in a hybrid silicon nitride platform

光学 材料科学 栅栏 干扰(通信) 氮化硅 光电子学 图层(电子) 衍射光栅 电信 物理 计算机科学 纳米技术 频道(广播)
作者
Radovan Korček,Pavel Cheben,William Fraser,Jens H. Schmid,Maziyar Milanizadeh,Carlos Alonso-Ramos,Winnie N. Ye,Daniel Benedikovič
出处
期刊:Optics Letters [The Optical Society]
卷期号:48 (15): 4017-4017 被引量:10
标识
DOI:10.1364/ol.495371
摘要

Surface grating couplers are an important component for interfacing photonic integrated circuits with optical fibers. However, conventional coupler designs typically provide limited performance due to low directionality and poor fiber-to-grating field overlap. The efficiency can be improved by using non-uniform grating structures at the expense of small critical dimensions complicating the fabrication process. While uniform gratings can alleviate this constraint, they produce an exponentially decaying near-field with the Gaussian fiber mode overlap limited to a theoretical maximum of 80%. In this work, we propose a uniform grating coupler that circumvents this field overlap limitation. This is achieved by leveraging inter-layer mode interference through a virtual directional coupler effect in a hybrid amorphous-silicon (α-Si) on silicon nitride (Si3N4) platform. By optimizing the inter-layer gap and grating geometry, a near-Gaussian profile of the out-radiated beam is achieved, resulting in an unprecedented grating-to-fiber overlap of 96%. The full three-dimensional (3D) finite-difference time-domain (FDTD) simulations show a high directionality of 84% and a record coupling loss of -1.27 dB with a 1-dB bandwidth of 20 nm for the uniform grating coupler design. Our device is designed for a wavelength of 950 nm aimed for use in hybrid quantum photonic integrated circuits using III-V quantum dot single photon sources.
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