南京譜量光電科技有限公司

簡單來說，垂直耦合就是讓光纖從芯片表面垂直插入，光通過設計好的“接口”進入波導。常見的結構包括：

利用刻蝕在芯片表面的微小周期結構，把波導里的光“衍射”出來，與光纖模式匹配。

典型的 垂直耦合 / 柵耦合 (grating coupler) 的示意圖，顯示光纖垂直入射，經過柵結構耦合到硅波導

在波導末端做一個斜鏡，讓水平光反射垂直射出。

通過傾斜界面或光纖端面反射，把光折轉到垂直方向。

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其中，光柵耦合器是硅光芯片最常用的方案，它像一個“天線”，把芯片里的光發射到空氣中，再耦合進光纖。

垂直耦合的優勢非常突出：

光纖可以直接從芯片上方插入，支持晶圓級測試，大幅降低成本。

幾微米的對準誤差仍可接受，而邊緣耦合往往只容忍不到1 μm。

可以在芯片任何位置開口，便于多通道并行耦合。

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當然，垂直耦合也有短板，比如耦合效率不如端射耦合高、光譜帶寬有限、偏振依賴性強。但這些問題正在被不斷攻克。

過去幾年，科研人員提出了不少創新設計：

通過雙層光柵+反射層設計，耦合損耗降低到 <1 dB，1 dB帶寬可超過100 nm。

光柵耦合器（Grating Coupler, GC）方向性增強的一些改進工藝手段↑

二維光柵或亞波長結構設計，使TE/TM兩種偏振均可高效耦合。

平面波導光柵和亞波長光柵耦合器圖(b)(SWGC)結構示意

利用算法自動生成復雜但性能優越的結構，效率超過90%，占用面積更小。

垂直耦合陣列已成功對接7芯光纖，為空間復用通信鋪路。

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這些進展意味著，未來的垂直耦合不僅高效，而且更寬帶、更易封裝，甚至能無縫對接新型光纖。

為滿足光柵相位匹配，并把反射“打偏”減少回返、裝配更穩，所以光纖通常相對波導取一個小角度（常見 ~8°）。

通常有如下兩種方案，一個是加工光纖端面形成一個角度，另一個是使用帶角度的垂直耦合光纖夾具

光纖端面的幾種常見處理方式。↑

◇垂直耦合（使用光柵）需要角度拋光(c)的光纖。

◇端面耦合（邊緣耦合）需要平面拋光(b)、透鏡端面(d)或UHNA熔接(e)的光纖。

更通常的做法是，使用下面這種帶8°角的垂直光纖（陣列）耦合夾具，光纖端面就不用額外進行角度拋光處理。

在實際產業中，垂直耦合已經大放異彩：

硅光收發器：數據中心中的100G/400G光模塊普遍采用光柵耦合器，實現多通道光纖接口。

板級光互連：聚合物波導+微鏡方案，利用垂直耦合完成板卡間光連接。

復雜光子芯片：光交換陣列、相控陣、量子芯片等，都用光柵陣列作為高密度I/O端口。

可以說，垂直耦合器是連接光纖世界與硅光世界的橋梁，它的進步直接決定著未來光通信系統的性能與成本。

總結：

光纖到芯片的垂直耦合，從原理到工藝，再到應用，正不斷突破性能瓶頸。隨著高效率、寬帶、偏振無關、多通道等技術逐步成熟，它將在數據中心、高性能計算、量子光學等領域發揮更大作用。

譜量光電目前已經推出手動，半自動，全自動波導耦合平臺，以及針對各種耦合器件專門定制的光纖夾具，芯片臺夾具，透鏡夾具等。

譜量光電半自動耦合平臺交付案例↑

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