隨著硅光技術(shù)的成熟，光纖波導(dǎo)耦合最常見的有兩種：

光柵垂直耦合（grating coupler），這種方案的優(yōu)勢在于——結(jié)構(gòu)簡單、工藝成熟、可實現(xiàn)晶圓級測試，非常適合原型驗證與大規(guī)模芯片篩選。

端面（水平）耦合（edge coupling）——當(dāng)器件性能要求提升，例如希望實現(xiàn) <1 dB 的光纖–芯片插入損耗，或需要與現(xiàn)有的光纖陣列、陶瓷基座等標(biāo)準(zhǔn)封裝接口兼容時，此種耦合方式往往成為更優(yōu)選擇。

端面（水平）耦合與垂直耦合的典型結(jié)構(gòu)對比示意↑

端面耦合的核心思想：

讓光纖輸出的高斯光斑（大而圓），逐步過渡為芯片內(nèi)部波導(dǎo)的基模（小而集中）。 然而兩者的“模場形態(tài)”差異極大： 光纖的模場直徑通常為 8–10 μm，分布平滑、擴(kuò)展較寬； 而硅光波導(dǎo)的有效尺寸僅約 0.5 × 0.22 μm，光被強(qiáng)烈約束在極小區(qū)域內(nèi)。 直接將光纖端面對準(zhǔn)波導(dǎo)端面，只能讓中心部分耦合進(jìn)入，大量能量會因模式不匹配而損失。

因此，端面耦合器的設(shè)計目標(biāo)，是讓芯片端的模式“更像光纖”。 常見實現(xiàn)思路包括：

• 擴(kuò)大波導(dǎo)截面、降低等效折射率，使出射模場更大、更圓、更接近光纖高斯分布；

• 沿傳播方向引入數(shù)百微米至 1 mm 的漸變段（倒錐形或包層過渡層），實現(xiàn)模式的平滑演化，避免反射和模式擾動。

通過這種“空間尺寸 + 折射率雙漸變”的設(shè)計，光場得以從光纖的大模場平穩(wěn)收斂至硅波導(dǎo)的緊模式，實現(xiàn)高重疊、高效率的端面耦合。

端面（水平）耦合和垂直耦合從原理上對比的話：

• 在硅光芯片中，垂直耦合器是靠“衍射 + 次級光學(xué)結(jié)構(gòu)”把光從上方拉進(jìn)來

• 端面耦合器則通過“模式漸變”把光從側(cè)面平滑地接入波導(dǎo)。

倒錐形端面耦合器及其模場漸變示意圖↑

光纖輸出的高斯光斑在進(jìn)入逐漸變細(xì)的波導(dǎo)錐形區(qū)后，光場從寬而松散的分布逐步被收緊并重新約束到硅波導(dǎo)中，實現(xiàn)了從光纖大模場到芯片小模場的平滑“模式漸變”。

端面耦合的發(fā)展路線大致可以分為以下幾類：從早期的倒錐形波導(dǎo)，到近年來的多層/雙薄膜結(jié)構(gòu)，再到結(jié)合3D 打印的微光學(xué)方案。每一代結(jié)構(gòu)都在解決同一個問題——如何讓芯片端的模式更像光纖、更容易封裝、更不怕偏差。

核心思路： 把硅波導(dǎo)前端“削尖”，讓光逐漸釋放到外部的低折射率包層中，從而“放大”模式尺寸。

典型參數(shù)： 錐形長度 200–500 μm，極端優(yōu)化時可延長到 1 mm。

發(fā)展趨勢： 2020 年后，該結(jié)構(gòu)已相當(dāng)成熟。研究重點轉(zhuǎn)向寬帶化、偏振無關(guān)與更大對準(zhǔn)容差的設(shè)計改良。

該圖展示的是一個光纖到片上波導(dǎo)的光耦合結(jié)構(gòu)，它通過使用錐形硅波導(dǎo)作為模式尺寸轉(zhuǎn)換器↑

倒錐形硅波導(dǎo)端面耦合結(jié)構(gòu)及模場漸變示意。光從左側(cè)光纖端進(jìn)入，在 SU-8 包層中形成寬模場，沿波導(dǎo)方向逐漸收斂至硅核，實現(xiàn)光纖-波導(dǎo)模式平滑過渡。

核心思路： 通過多層薄膜或雙波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步調(diào)控輸出模式形狀和尺寸，實現(xiàn)更靈活的模式整形。

上圖為多層混合端面耦合器結(jié)構(gòu)示意

光纖發(fā)出的光首先進(jìn)入聚合物漸變波導(dǎo)，在低折射率層中形成大模場，與光纖高斯模式匹配；隨后光逐層耦合進(jìn)入 Si?N? / LNOI 波導(dǎo)中，模場逐漸收縮并被硅基波導(dǎo)強(qiáng)約束，實現(xiàn)平滑的模場漸變與低損耗耦合。

核心思路： 利用端面傾角或鏡面反射，讓光在進(jìn)入波導(dǎo)前折轉(zhuǎn)方向，為特殊封裝或非正入射路徑提供空間。

典型結(jié)構(gòu)：

· 在端面蝕刻出約 45° 的斜坡；或在該斜面上沉積金屬形成反射鏡；

· 光纖仍從側(cè)面插入，但光線會在端面反射后進(jìn)入波導(dǎo)層。

適用場景： 空間受限、波導(dǎo)層較深或需垂直—水平轉(zhuǎn)換的封裝結(jié)構(gòu)。 

核心思路：從平面結(jié)構(gòu)進(jìn)化到三維光學(xué)結(jié)構(gòu)，在端面或光纖端添加可打印微透鏡或自由曲面光波導(dǎo)，顯著放寬裝配公差。

意義： 這是端面耦合從“平面波導(dǎo)”走向“空間光學(xué)”的關(guān)鍵一步，用可打印、可調(diào)的微光學(xué)結(jié)構(gòu)換取更大的封裝容差與更高的產(chǎn)線效率。

上圖為3D 納米打印 Photonic Wire Bond 在混合集成光子模塊中的應(yīng)用↑

近五年端面耦合的演進(jìn)路線

結(jié)構(gòu)更立體 → 模式更可控 → 封裝更寬容 → 產(chǎn)業(yè)更可行。

1. 損耗：端面耦合做到 0.5–1 dB 相對容易，垂直耦合一般是 1.5–2.5 dB，要做到 <1 dB 需要一些復(fù)雜的設(shè)計

2. 工藝/封裝難度：端面耦合的要求較高，端面要切割、拋光，還得高精度對準(zhǔn)；垂直耦合則工藝相對簡單，可在晶圓級直接測試，不需光纖插拔，對大規(guī)模生產(chǎn)更友好。

3. 靈活性：垂直耦合可以在芯片上“隨便開口”；端面耦合位置是固定的，但更適合和現(xiàn)有光纖陣列做陣列對接。

總的來看，端面（水平）耦合因為低損耗、易與陣列對接、與傳統(tǒng)光纖生態(tài)兼容等特點，會持續(xù)發(fā)光發(fā)熱。從科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來看：

? 短期內(nèi)，研究會繼續(xù)圍繞“更寬帶、更偏振無關(guān)、更大容差的 edge coupler”做結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；

? 中期更多看到 3D 打印微光學(xué)+被動對準(zhǔn)的量產(chǎn)方案；

? 長期則可能跟 3D 光子集成、光電共封裝一起，形成標(biāo)準(zhǔn)化的光學(xué)接口。

上圖是高性能光子芯片端面耦合器的代表，通過多材料和多級錐形的設(shè)計，精確控制模式轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)極低的光纖耦合損耗。上下兩部分分別展示了光子集成中的微光學(xué)封裝技術(shù) (FaML) 和高性能芯片集成耦合器 (多層EC)。

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