硅基自聚焦光纤-芯片光栅耦合器，具有毫米级工作距离

《Optics & Laser Technology》：Silicon self-focusing fiber–chip grating couplers with millimeter-long working distance

　　

研究人员展示了具有1毫米工作距离的自聚焦光纤-芯片光栅耦合器。该器件在220纳米绝缘体上硅（SOI）平台上采用深紫外（DUV）兼容的最小特征尺寸制造，测得的耦合效率为-3.7 dB，无需底部反射器。亚波长光栅（SWG）超材料实现了弱、切趾的辐射强度，为光学系统提供了稳健的非接触式光纤到芯片封装。

硅基自聚焦光纤-芯片光栅耦合器实现毫米级工作距离的论文解读

光子集成电路（PIC）在电信、数据中心、遥感、生物传感和量子技术等领域应用广泛，光纤与芯片之间的高效光耦合是核心挑战之一。传统表面光栅耦合器辐射发散光束，要求光纤-芯片间距仅数微米，导致封装中对准复杂度高、灵活性差。长工作距离聚焦光栅耦合器（LWD-FGC）通过将类透镜效应直接集成到光栅结构中，使每个衍射单元的辐射强度和发射角得到调控，从而将会聚光束聚焦到远处光纤端面，为非接触式耦合提供了全集成方案。然而，硅基平台的高折射率对比导致辐射强度过大，难以实现弱辐射，这成为制约大孔径和长焦距的关键障碍。已有硅基方案需采用70 nm浅刻蚀或260 nm厚硅层，工作距离仅45–250 μm；氮化硅平台虽能降低辐射强度，但工作距离未超过175 μm，且部分工艺需要复杂的多步刻蚀或底部反射器。因此，在标准220 nm SOI平台上实现毫米级工作距离并保持高效率与工艺兼容性，是当前亟待解决的问题。

研究人员提出采用双周期亚波长光栅（SWG）拓扑结构，利用占空比差ΔDC独立控制辐射强度，而辐射角主要由光栅周期Λ_rad决定，从而实现了近解耦的切趾设计。通过半解析设计流程和仿真验证，他们在单次全刻蚀、DUV兼容的工艺下制造了聚焦高度为300 μm、500 μm和1 mm的耦合器，实测耦合效率分别为-3.3 dB、-3.3 dB和-3.7 dB，且无需底部反射器。其中1 mm工作距离是迄今硅光子光栅耦合器报告的最长值。该成果发表于《Optics》，为稳健的非接触式光纤-芯片封装提供了可扩展的方案，尤其适用于固定波长或窄带应用。

关键技术方法方面，研究人员采用高斯光束反向传播从光纤到芯片表面计算目标近场分布，再将幅度和相位映射为辐射强度α(z)和辐射角θ(z)分布；利用自研本征模式展开（EME）工具FEXEN仿真单元结构的Bloch-Floquet模式，构建α、θ与几何参数ΔDC和Λ_rad的查找表；通过二维时域有限差分（FDTD）仿真对设计进行验证。实验样品在Applied Nanotools代工厂采用100 keV电子束光刻和反应离子刻蚀制造，并沉积2.2 μm氧化硅包层。测量系统包括可调激光器、1×2多模干涉（MMI）耦合器、光功率计以及定制的红外成像系统。

研究结果部分：

3.1 设计规格定义：根据高斯光束传播理论估算光栅总长度与光纤倾角ψ的关系。对于标准SMF-28光纤（模场直径MFD=10.4 μm@1550 nm）和500 μm聚焦高度，选取ψ≈17°，使光栅总长满足小于300 μm的约束，同时避免第二阶布拉格反射。

3.2 设计流程：通过从光纤到芯片的逆向场传播得到目标近场幅度和相位，将其映射为所需辐射强度和辐射角分布。利用EME仿真扫描单元结构参数，获得不同ΔDC和Λ_rad下的辐射特性，结合目标分布反推出切趾几何参数。过渡区采用SWG波导优化，使背向反射低于-24 dB；所有特征尺寸≥120 nm，满足DUV浸没式光刻的制造约束。横向设计采用圆弧形光栅线，以在焦点处实现聚焦，输入波导宽度W选为2 μm。

3.3 仿真性能：FDTD仿真显示方向性D=-1.4 dB，重叠积分OL=-0.45 dB，预计耦合效率约为-1.85 dB。带宽随工作距离增加而减小，这是由波长变化引起的辐射角偏移在更大距离上产生更大焦点位移所致。对准公差分析表明，1 mm设计在横向位移和角度失准下的3 dB容差分别为±3.5 μm和±0.15°。制造公差分析显示，全局线宽偏差±20 nm时耦合效率退化不超过0.4 dB，占空比差偏差-20 nm时退化约0.5 dB，证明双周期SWG拓扑具有较高的制造鲁棒性。

4 实验结果：在220 nm SOI平台上制备了三种聚焦高度的器件，实测峰值耦合效率为-3.3 dB（300 μm和500 μm）和-3.7 dB（1000 μm）。红外成像显示聚焦光斑呈高度椭圆形，横向模场直径约27.5 μm，纵向约9.2 μm。横向展宽导致约1.8 dB的重叠损耗，基本解释了实测与仿真效率的差距。纵向光束宽度与设计值接近，进一步验证了设计对制造误差的容忍性。

总结讨论部分指出，实测耦合效率低于仿真预测的主要原因是聚焦光束在横向出现非期望展宽，可能由激励波导宽度偏差、自由传播区厚度非均匀性以及光栅曲率相位