在光通信、數(shù)據(jù)中心和人工智能等領(lǐng)域，硅光子技術(shù)憑借其高集成度、低成本和CMOS工藝兼容性，正成為下一代光互聯(lián)的核心驅(qū)動力。然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術(shù)難點(diǎn)——尤其是如何在實(shí)現(xiàn)高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項(xiàng)發(fā)表在《IEEEPHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強(qiáng)的雙層二維光柵耦合器[1]，為硅光子器件的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了新思路。本文將從技術(shù)背景、設(shè)計(jì)原理、實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開解析。
硅光子技術(shù)的核心優(yōu)勢在于其高折射率對比度，可實(shí)現(xiàn)超緊湊的光學(xué)器件。然而，光纖（模式直徑約10μm）與硅波導(dǎo)（亞微米尺寸）之間的模式尺寸差異巨大，導(dǎo)致耦合效率低下。
傳統(tǒng)解決方案的局限：
邊緣耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且難以規(guī)?；?；
一維光柵耦合器：雖支持晶圓級測試，但僅對特定偏振光高效，實(shí)際應(yīng)用中光的偏振態(tài)復(fù)雜多變，導(dǎo)致性能波動；
二維光柵耦合器：理論上可實(shí)現(xiàn)偏振分集（將任意偏振光分解為兩個正交模式），但效率受限于工藝—主流220nm SOI平臺與193nm光刻技術(shù)下，如何平衡結(jié)構(gòu)復(fù)雜度與耦合效率成為關(guān)鍵。
此前研究[2]雖通過加厚硅層或復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)提升效率，但特征尺寸或工藝兼容性不足。而本篇文章通過雙層級介質(zhì)結(jié)構(gòu)（70nm淺刻蝕孔陣列+160nm多晶硅齒陣列）激發(fā)多極輻射模式，在保證工藝兼容性的同時顯著提升方向性與耦合效率，為硅光子芯片的商用化鋪平道路。
圖1完全垂直二維光柵耦合器示意圖
1. 多極輻射模式：從電偶極子到磁四極子
光柵耦合器的效率取決于其將光能定向輻射至光纖的能力，即“方向性”。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)激發(fā)高階多極模式（如磁偶極子、電四極子），從而增強(qiáng)輻射方向性。
根據(jù)論文中的理論分析，輻射場可分解為電偶極矩（P）、磁偶極矩（M）、環(huán)形偶極矩（T）、電四極矩（Qαβ）和磁四極矩（Mαβ）。實(shí)驗(yàn)表明，磁偶極子與電四極電四極矩的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)，如圖2所示，其輻射功率比傳統(tǒng)電偶極子高一個量級，顯著提升方向性至75%（較單層結(jié)構(gòu)提升20%）。
圖2多極分解的輻射功率
2. 雙層級結(jié)構(gòu)：工藝兼容性的巧妙平衡
研究團(tuán)隊(duì)采用雙層設(shè)計(jì)：
圖3光柵耦合器的俯視圖和橫截面圖
該設(shè)計(jì)充分利用商用193nm DUV光刻工藝，最小特征尺寸為180nm，與現(xiàn)有硅光代工廠（如imec）的制造流程完全兼容。此外，末端集成的硅反射器（寬度365nm，間距360nm）進(jìn)一步減少能量損耗。
設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：從仿真到流片
1. 仿真優(yōu)化：遺傳算法與有效介質(zhì)理論
為降低3D FDTD仿真的計(jì)算成本，團(tuán)隊(duì)采用有效介質(zhì)理論（EMT）簡化模型，結(jié)合遺傳算法優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)（如孔周期、齒尺寸等）。仿真結(jié)果顯示，峰值耦合效率達(dá)-2.37dB（58%），3dB帶寬30nm。
圖4光柵耦合器的耦合效率和背向反射
2. 制造容差分析：工藝魯棒性驗(yàn)證
研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評估了刻蝕深度、孔徑偏差、多晶硅齒尺寸誤差等對性能的影響，結(jié)果顯示：
刻蝕深度偏差±10nm時，效率仍>50%；
多晶硅齒直徑誤差<40nm時，波長偏移可控；
雙層對準(zhǔn)偏差容限達(dá)60nm（y方向），確保量產(chǎn)可行性。
3. 實(shí)測結(jié)果：效率與偏振穩(wěn)定性
通過imec多項(xiàng)目晶圓（MPW）流片，實(shí)測峰值效率為-2.54dB，1dB帶寬12.9nm，3dB帶寬23.4nm（圖5b）。偏振相關(guān)損耗（PDL）<0.3dB（圖5c），且光纖對準(zhǔn)偏差2μm內(nèi)效率仍優(yōu)于-3.5dB（圖5d），顯著降低封裝成本。
圖5(a)所制造的光子集成電路的顯微圖像，測量的二維光柵耦合器的(b)耦合效率(c)偏振相關(guān)損耗(d)峰值耦合效率
本篇文章的研究通過多極輻射模式增強(qiáng)與雙層級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在商用工藝平臺上實(shí)現(xiàn)了高效、低偏振敏感的二維光柵耦合器，解決了一個高效的和偏振分集的光纖芯片耦合的挑戰(zhàn)，為硅光子技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用掃清關(guān)鍵障礙。利用多極輻射模式的設(shè)計(jì)方法也可以應(yīng)用于其他集成光學(xué)平臺，例如SOI上的Si3N4或薄膜鈮酸鋰，以實(shí)現(xiàn)光纖和光子集成電路之間的高效偏振多樣性接口。未來，隨著帶寬優(yōu)化與集成度提升，這一技術(shù)有望成為光互聯(lián)領(lǐng)域的“標(biāo)準(zhǔn)配置”，推動從數(shù)據(jù)中心到量子計(jì)算的全新變革。
參考：
[1]Zhou, Wu, et al. "Efficient Polarization-Diversity Grating Coupler with Multipolar Radiation Mode Enhancement." IEEE Photonics Journal (2025).
[2]Z. Zhang et al., “High-efficiency two-dimensional perfectly vertical grat ing coupler with ultra-low polarization dependent loss and large fibre misalignment tolerance,” IEEE J. Quantum Electron., vol. 57, no. 5, Oct. 2021, Art. no. 8400407.
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蘇州站 | 2025年4月17-18日 |
| 武漢站 | |
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