在硅光子技術快速發展的背景下，光纖與芯片波導的高效耦合始終是制約系統性能提升的關鍵瓶頸。近期，Xu等科研人員在《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》發表的研究成果，為這一難題提供了創新解決方案——一種基于梯度折射率（GRIN）透鏡并輔以互補錐結構的邊緣耦合器  ，實現了標準單模光纖（SMF）與硅波導的低損耗、寬帶寬、偏振不敏感耦合，同時顯著簡化了制造工藝，為硅基光子芯片的實用化進程提供了重要支撐。

硅光子耦合技術的現狀與挑戰

硅基光子芯片憑借低延遲、高傳輸速率等優勢，成為5G、云計算等領域的核心載體。然而，硅材料無法集成片上光源，需通過外部光纖與片上波導耦合實現光信號傳輸。目前主流的耦合方式中，光柵耦合存在損耗高、偏振敏感等局限；傳統邊緣耦合雖性能更優，但在適配標準單模光纖（SMF，模場直徑10.4μm）時，常因模場失配導致損耗增加，且復雜結構（如多層、3Dtaper）加劇了制造難度。

基于漸變折射率（GRIN）透鏡的邊緣耦合器因工藝穩定、偏振不敏感等特性被寄予厚望，但傳統設計需數十層交替材料，如Loh  等人設計的邊緣耦合器需要40對Si-SiO?交替層，Lim  等人的設計需要20層以上，這無疑增加了制造復雜性和成本。如何在簡化結構的同時保持高性能，成為該領域的核心挑戰。

創新設計：GRIN透鏡與互補錐結構的協同優化

（一）整體結構：兩層協同實現高效模場轉換

該耦合器基于標準SOI晶圓（BOX厚度3μm，頂層硅220nm），由GRIN透鏡與互補錐結構組成，如圖1所示。GRIN透鏡含5層SiON薄膜，折射率自上至下遞增，將SMF的10.4μm模場垂直壓縮至3.5μm并聚焦于底層；互補錐結構由SiON錐與Si逆錐構成，進一步壓縮模場至硅波導尺寸，實現高效匹配。

圖1邊緣耦合器示意圖

（二）GRIN透鏡：從11層到5層的簡化突破

初始設計的11層GRIN透鏡雖性能優異，但制造復雜。研究團隊基于有效介質理論（EMT），將折射率相近的層合并為5層，通過下面公式計算等效折射率，確保聚焦性能接近理想“無限層GRIN透鏡”。仿真顯示，5層結構與11層的耦合損耗差異可忽略，如圖2所示。

公式：

圖2三種梯度折射率透鏡的性能比較。（a）折射率分布；（b）電場演化；（c）耦合損耗

（三）互補錐結構：參數優化實現低損耗轉換

互補錐的長度（  ）與Si逆錐尖端寬度（  ）是關鍵參數。仿真表明，  ≥700μm、  =40nm時可實現近無損耗轉換；即使  縮短至290μm，TE/TM模式損耗仍<0.5dB，如圖3所示。

圖3(a)互補錐形結構的電場演化；（b）yz平面在不同位置的模場分布；（c）互補錐結構長度 Lt 和硅倒錐尖寬度Wtip對耦合損耗的關系；（d）互補錐形結構內TE和TM模式的模場分布

仿真驗證：多工具協同保障設計可靠性

研究采用Ansys Lumerical軟件，分階段完成仿真優化：

1、12D-FDTD仿真：優化GRIN透鏡，設置網格精度50nm×50nm×20nm，邊界為PML，光源為模式光源。結果顯示，1550nm處TE/TM模式損耗低至0.039dB/0.052dB，焦距72μm時性能最優，如圖4所示。

圖4GRIN透鏡焦距Lf與耦合損耗的關系

2、EME仿真：獨立優化互補錐結構，分析其模式轉換效率，分析模場演化，確定  與  的最佳范圍，確保模式平滑轉換。

3、3D-FDTD仿真：驗證整個邊緣耦合器的性能，確保各部分協同工作的有效性。1450-1650nm波段內，TE/TM模式損耗均<0.3dB，1550nm處分別為0.128dB/0.179dB，寬帶寬特性顯著，如圖5所示。

圖5（a）整個邊緣耦合器的電場演化；（b）邊緣耦合器的耦合損耗譜。

制備工藝與性能測試

（一）精密制備：四步流程確保結構精度

1、硅波導制備：通過EBL光刻與ICP-RIE刻蝕（C?F?/SF?氣體）形成垂直側壁。

2、SiON薄膜沉積：采用ICPCVD技術，通過調節N?O流量控制折射率，Ar氣保障膜厚均勻性。

3、薄膜蝕刻：用Cr硬掩模選擇性蝕刻上層4層SiON，保留底層用于模場耦合。

4、溝槽制備：EBL光刻后ICP-RIE刻蝕溝槽，防止光泄漏。

圖6邊緣耦合器的制造工藝流程

（二）性能指標：低損耗、寬帶寬、偏振不敏感

測試系統采用可調諧激光器（1510-1600nm）與光功率計，結果顯示：

1、1550nm處，TE/TM模式耦合損耗分別為1.21dB/1.78dB，偏振相關損耗（PDL）僅0.5dB。

2、1dB帶寬超90nm（受激光器范圍限制），1510-1600nm內損耗波動<1dB。

3、與傳統GRIN耦合器相比，5層結構大幅簡化工藝，性能更優。

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參考文獻：

[1] Xu J, Guo C, Li Y, et al. Graded-Index Lens Based Edge Coupler With Low-Loss, Broad Bandwidth for Efficient Coupling Between Silicon Waveguide and Standard Single-Mode Fiber[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.

[2] Loh T H, Wang Q, Zhu J, et al. Ultra-compact multilayer Si/SiO2 GRIN lens mode-size converter for coupling single-mode fiber to Si-wire waveguide[J]. Optics express, 2010, 18(21): 21519-21533.

[3] Lim K P, Ng D K T, Pu J, et al. Graded-index thin-film stack for cladding and coupling[J]. Applied Optics, 2016, 55(24): 6752-6756.