波导耦合应用二之垂直耦合篇

南京谱量光电科技有限公司

简单来说，垂直耦合就是让光纤从芯片表面垂直插入，光通过设计好的“接口”进入波导。常见的结构包括：

利用刻蚀在芯片表面的微小周期结构，把波导里的光“衍射”出来，与光纤模式匹配。

典型的 垂直耦合 / 栅耦合 (grating coupler) 的示意图，显示光纤垂直入射，经过栅结构耦合到硅波导

在波导末端做一个斜镜，让水平光反射垂直射出。

通过倾斜界面或光纤端面反射，把光折转到垂直方向。

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其中，光栅耦合器是硅光芯片最常用的方案，它像一个“天线”，把芯片里的光发射到空气中，再耦合进光纤。

垂直耦合的优势非常突出：

光纤可以直接从芯片上方插入，支持晶圆级测试，大幅降低成本。

几微米的对准误差仍可接受，而边缘耦合往往只容忍不到1 μm。

可以在芯片任何位置开口，便于多通道并行耦合。

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当然，垂直耦合也有短板，比如耦合效率不如端射耦合高、光谱带宽有限、偏振依赖性强。但这些问题正在被不断攻克。

过去几年，科研人员提出了不少创新设计：

通过双层光栅+反射层设计，耦合损耗降低到 <1 dB，1 dB带宽可超过100 nm。

光栅耦合器（Grating Coupler, GC）方向性增强的一些改进工艺手段↑

二维光栅或亚波长结构设计，使TE/TM两种偏振均可高效耦合。

平面波导光栅和亚波长光栅耦合器图(b)(SWGC)结构示意

利用算法自动生成复杂但性能优越的结构，效率超过90%，占用面积更小。

垂直耦合阵列已成功对接7芯光纤，为空间复用通信铺路。

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这些进展意味着，未来的垂直耦合不仅高效，而且更宽带、更易封装，甚至能无缝对接新型光纤。

为满足光栅相位匹配，并把反射“打偏”减少回返、装配更稳，所以光纤通常相对波导取一个小角度（常见 ~8°）。

通常有如下两种方案，一个是加工光纤端面形成一个角度，另一个是使用带角度的垂直耦合光纤夹具

光纤端面的几种常见处理方式。↑

◇垂直耦合（使用光栅）需要角度抛光(c)的光纤。

◇端面耦合（边缘耦合）需要平面抛光(b)、透镜端面(d)或UHNA熔接(e)的光纤。

更通常的做法是，使用下面这种带8°角的垂直光纤（阵列）耦合夹具，光纤端面就不用额外进行角度抛光处理。

在实际产业中，垂直耦合已经大放异彩：

硅光收发器：数据中心中的100G/400G光模块普遍采用光栅耦合器，实现多通道光纤接口。

板级光互连：聚合物波导+微镜方案，利用垂直耦合完成板卡间光连接。

复杂光子芯片：光交换阵列、相控阵、量子芯片等，都用光栅阵列作为高密度I/O端口。

可以说，垂直耦合器是连接光纤世界与硅光世界的桥梁，它的进步直接决定着未来光通信系统的性能与成本。

总结：

光纤到芯片的垂直耦合，从原理到工艺，再到应用，正不断突破性能瓶颈。随着高效率、宽带、偏振无关、多通道等技术逐步成熟，它将在数据中心、高性能计算、量子光学等领域发挥更大作用。

谱量光电目前已经推出手动，半自动，全自动波导耦合平台，以及针对各种耦合器件专门定制的光纤夹具，芯片台夹具，透镜夹具等。

谱量光电半自动耦合平台交付案例↑

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