在光通信、数据中心和人工智能等领域，硅光子技术凭借其高集成度、低成本和CMOS工艺兼容性，正成为下一代光互联的核心驱动力。然而，光纤与硅光子芯片的高效耦合一直是技术难点------尤其是如何在实现高效率的同时兼容偏振分集。近日，一项发表在《IEEEPHOTONICS JOURNAL》的研究提出了一种基于多极辐射模式增强的双层二维光栅耦合器1，为硅光子器件的规模化应用提供了新思路。本文将从技术背景、设计原理、实验结果展开解析。
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：
边缘耦合器：需高精度切割芯片端面，成本高且难以规模化；
一维光栅耦合器：虽支持晶圆级测试，但仅对特定偏振光高效，实际应用中光的偏振态复杂多变，导致性能波动；
二维光栅耦合器：理论上可实现偏振分集（将任意偏振光分解为两个正交模式），但效率受限于工艺---主流220nm SOI平台与193nm光刻技术下，如何平衡结构复杂度与耦合效率成为关键。
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：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
- 双层级结构：工艺兼容性的巧妙平衡
研究团队采用双层设计：
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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。
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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
- 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
- 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：
刻蚀深度偏差±10nm时，效率仍>50%；
多晶硅齿直径误差<40nm时，波长偏移可控；
双层对准偏差容限达60nm（y方向），确保量产可行性。
- 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©偏振相关损耗(d)峰值耦合效率
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：
1Zhou, Wu, et al. "Efficient Polarization-Diversity Grating Coupler with Multipolar Radiation Mode Enhancement." IEEE Photonics Journal (2025).
2Z. 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.