在光通信、數據中心和人工智能等領域，硅光子技術憑借其高集成度、低成本和CMOS工藝兼容性，正成為下一代光互聯的核心驅動力。然而，光纖與硅光子芯片的高效耦合一直是技術難點——尤其是如何在實現高效率的同時兼容偏振分集。近日，一項發表在《IEEE PHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一種基于多極輻射模式增強的雙層二維光柵耦合器  ，為硅光子器件的規模化應用提供了新思路。本文將從技術背景、設計原理、實驗結果展開解析。

光纖-芯片耦合的挑戰與機遇

硅光子技術的核心優勢在于其高折射率對比度，可實現超緊湊的光學器件。然而，光纖（模式直徑約10 μm）與硅波導（亞微米尺寸）之間的模式尺寸差異巨大，導致耦合效率低下。

傳統解決方案的局限：

• 邊緣耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且難以規模化；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，實際應用中光的偏振態復雜多變，導致性能波動；二維光柵耦合器：理論上可實現偏振分集（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 220 nm SOI 平臺與 193 nm 光刻技術下，如何平衡結構復雜度與耦合效率成為關鍵。

此前研究  雖通過加厚硅層或復雜納米結構提升效率，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結構（70 nm淺刻蝕孔陣列+160 nm多晶硅齒陣列）激發多極輻射模式，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

多極輻射模式與雙層級設計

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”。傳統設計主要依賴電偶極子輻射，但方向性有限。本研究的創新點在于通過結構設計激發高階多極模式（如磁偶極子、電四極子），從而增強輻射方向性。

根據論文中的理論分析，輻射場可分解為電偶極矩（P）、磁偶極矩（M）、環形偶極矩（T）、電四極矩（  ）和磁四極矩（  ）。實驗表明，磁偶極子與電四極電四極矩的貢獻占主導，如圖2所示，其輻射功率比傳統電偶極子高一個量級，顯著提升方向性至75%（較單層結構提升20%）。

圖2 多極分解的輻射功率

2.雙層級結構：工藝兼容性的巧妙平衡

研究團隊采用雙層設計：

• 下層：220 nm SOI層中刻蝕70 nm深度的圓形孔陣列，通過漸變周期（Apodization）抑制高階布拉格反射，提升模式匹配。上層：沉積160 nm厚多晶硅齒陣列，進一步優化光場限制與方向性（圖3a）。

圖3 光柵耦合器的俯視圖和橫截面圖

該設計充分利用商用193 nm DUV光刻工藝，最小特征尺寸為180 nm，與現有硅光代工廠（如imec）的制造流程完全兼容。此外，末端集成的硅反射器（寬度365 nm，間距360 nm）進一步減少能量損耗。

設計與實現：從仿真到流片

1. 仿真優化：遺傳算法與有效介質理論

為降低3D FDTD仿真的計算成本，團隊采用有效介質理論（EMT）簡化模型，結合遺傳算法優化結構參數（如孔周期、齒尺寸等）。仿真結果顯示，峰值耦合效率達-2.37 dB（58%），3 dB帶寬30 nm。

圖4 光柵耦合器的耦合效率和背向反射

2. 制造容差分析：工藝魯棒性驗證

研究團隊系統評估了刻蝕深度、孔徑偏差、多晶硅齒尺寸誤差等對性能的影響，結果顯示：

• 刻蝕深度偏差±10 nm時，效率仍>50%；多晶硅齒直徑誤差<40 nm時，波長偏移可控；雙層對準偏差容限達60 nm（y方向），確保量產可行性。

3. 實測結果：效率與偏振穩定性

通過imec多項目晶圓（MPW）流片，實測峰值效率為-2.54 dB，1 dB帶寬12.9 nm，3 dB帶寬23.4 nm（圖5b）。偏振相關損耗（PDL）<0.3 dB（圖5c），且光纖對準偏差2 μm內效率仍優于-3.5 dB（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)偏振相關損耗(d)峰值耦合效率

結語

本篇文章的研究通過多極輻射模式增強與雙層級結構設計，在商用工藝平臺上實現了高效、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，為硅光子技術的規模化應用掃清關鍵障礙。利用多極輻射模式的設計方法也可以應用于其他集成光學平臺，例如SOI上的Si3N4或薄膜鈮酸鋰，以實現光纖和光子集成電路之間的高效偏振多樣性接口。未來，隨著帶寬優化與集成度提升，這一技術有望成為光互聯領域的“標準配置”，推動從數據中心到量子計算的全新變革。

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.