偏振分集光栅耦合器实现光纤与芯片的高效互联
光纤-芯片耦合的挑战与机遇
光纤-芯片耦合的挑战与机遇
硅光子技术的核心优势在于其高折射率对比度，可实现超紧凑的光学器件。然而，光纤（模式直径约10μm）与硅波导（亚微米尺寸）之间的模式尺寸差异巨大，导致耦合效率低下。
传统解决方案的局限：
此前研究[2]虽通过加厚硅层或复杂纳米结构提升效率，但特征尺寸或工艺兼容性不足。而本篇文章通过双层级介质结构（70nm浅刻蚀孔阵列+160nm多晶硅齿阵列）激发多极辐射模式，在保证工艺兼容性的同时显著提升方向性与耦合效率，为硅光子芯片的商用化铺平道路。
图1完全垂直二维光栅耦合器示意图
多极辐射模式与双层级设计
多极辐射模式与双层级设计
1. 多极辐射模式：从电偶极子到磁四极子
光栅耦合器的效率取决于其将光能定向辐射至光纤的能力，即“方向性”。传统设计主要依赖电偶极子辐射，但方向性有限。本研究的创新点在于通过结构设计激发高阶多极模式（如磁偶极子、电四极子），从而增强辐射方向性。
根据论文中的理论分析，辐射场可分解为电偶极矩（P）、磁偶极矩（M）、环形偶极矩（T）、电四极矩（Qαβ）和磁四极矩（Mαβ）。实验表明，磁偶极子与电四极电四极矩的贡献占主导，如图2所示，其辐射功率比传统电偶极子高一个量级，显著提升方向性至75%（较单层结构提升20%）。
图2多极分解的辐射功率
研究团队采用双层设计：
下层：220nm SOI层中刻蚀70nm深度的圆形孔阵列，通过渐变周期（Apodization）抑制高阶布拉格反射，提升模式匹配。
上层：沉积160nm厚多晶硅齿阵列，进一步优化光场限制与方向性（图3a）。
图3光栅耦合器的俯视图和横截面图
该设计充分利用商用193nm DUV光刻工艺，最小特征尺寸为180nm，与现有硅光代工厂（如imec）的制造流程完全兼容。此外，末端集成的硅反射器（宽度365nm，间距360nm）进一步减少能量损耗。
设计与实现：从仿真到流片
设计与实现：从仿真到流片
1. 仿真优化：遗传算法与有效介质理论
为降低3D FDTD仿真的计算成本，团队采用有效介质理论（EMT）简化模型，结合遗传算法优化结构参数（如孔周期、齿尺寸等）。仿真结果显示，峰值耦合效率达-2.37dB（58%），3dB带宽30nm。
图4光栅耦合器的耦合效率和背向反射
2. 制造容差分析：工艺鲁棒性验证
研究团队系统评估了刻蚀深度、孔径偏差、多晶硅齿尺寸误差等对性能的影响，结果显示：
3. 实测结果：效率与偏振稳定性
通过imec多项目晶圆（MPW）流片，实测峰值效率为-2.54dB，1dB带宽12.9nm，3dB带宽23.4nm（图5b）。偏振相关损耗（PDL）<0.3dB（图5c），且光纤对准偏差2μm内效率仍优于-3.5dB（图5d），显著降低封装成本。
图5(a)所制造的光子集成电路的显微图像，测量的二维光栅耦合器的(b)耦合效率(c)偏振相关损耗(d)峰值耦合效率
结语
结语
本篇文章的研究通过多极辐射模式增强与双层级结构设计，在商用工艺平台上实现了高效、低偏振敏感的二维光栅耦合器，解决了一个高效的和偏振分集的光纤芯片耦合的挑战，为硅光子技术的规模化应用扫清关键障碍。利用多极辐射模式的设计方法也可以应用于其他集成光学平台，例如SOI上的Si3N4或薄膜铌酸锂，以实现光纤和光子集成电路之间的高效偏振多样性接口。未来，随着带宽优化与集成度提升，这一技术有望成为光互联领域的“标准配置”，推动从数据中心到量子计算的全新变革。
参考：
[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.
