波导耦合应用三之端面（水平）耦合

随着硅光技术的成熟，光纤波导耦合最常见的有两种：

光栅垂直耦合（grating coupler），这种方案的优势在于——结构简单、工艺成熟、可实现晶圆级测试，非常适合原型验证与大规模芯片筛选。

端面（水平）耦合（edge coupling）——当器件性能要求提升，例如希望实现 <1 dB 的光纤–芯片插入损耗，或需要与现有的光纤阵列、陶瓷基座等标准封装接口兼容时，此种耦合方式往往成为更优选择。

端面（水平）耦合与垂直耦合的典型结构对比示意↑

端面耦合的核心思想：

让光纤输出的高斯光斑（大而圆），逐步过渡为芯片内部波导的基模（小而集中）。 然而两者的“模场形态”差异极大： 光纤的模场直径通常为 8–10 µm，分布平滑、扩展较宽； 而硅光波导的有效尺寸仅约 0.5 × 0.22 µm，光被强烈约束在极小区域内。 直接将光纤端面对准波导端面，只能让中心部分耦合进入，大量能量会因模式不匹配而损失。

因此，端面耦合器的设计目标，是让芯片端的模式“更像光纤”。 常见实现思路包括：

• 扩大波导截面、降低等效折射率，使出射模场更大、更圆、更接近光纤高斯分布；

• 沿传播方向引入数百微米至 1 mm 的渐变段（倒锥形或包层过渡层），实现模式的平滑演化，避免反射和模式扰动。

通过这种“空间尺寸 + 折射率双渐变”的设计，光场得以从光纤的大模场平稳收敛至硅波导的紧模式，实现高重叠、高效率的端面耦合。

端面（水平）耦合和垂直耦合从原理上对比的话：

• 在硅光芯片中，垂直耦合器是靠“衍射 + 次级光学结构”把光从上方拉进来

• 端面耦合器则通过“模式渐变”把光从侧面平滑地接入波导。

倒锥形端面耦合器及其模场渐变示意图↑

光纤输出的高斯光斑在进入逐渐变细的波导锥形区后，光场从宽而松散的分布逐步被收紧并重新约束到硅波导中，实现了从光纤大模场到芯片小模场的平滑“模式渐变”。

端面耦合的发展路线大致可以分为以下几类：从早期的倒锥形波导，到近年来的多层/双薄膜结构，再到结合3D 打印的微光学方案。每一代结构都在解决同一个问题——如何让芯片端的模式更像光纤、更容易封装、更不怕偏差。

核心思路： 把硅波导前端“削尖”，让光逐渐释放到外部的低折射率包层中，从而“放大”模式尺寸。

典型参数： 锥形长度 200–500 µm，极端优化时可延长到 1 mm。

发展趋势： 2020 年后，该结构已相当成熟。研究重点转向宽带化、偏振无关与更大对准容差的设计改良。

该图展示的是一个光纤到片上波导的光耦合结构，它通过使用锥形硅波导作为模式尺寸转换器↑

倒锥形硅波导端面耦合结构及模场渐变示意。光从左侧光纤端进入，在 SU-8 包层中形成宽模场，沿波导方向逐渐收敛至硅核，实现光纤-波导模式平滑过渡。

核心思路： 通过多层薄膜或双波导结构，进一步调控输出模式形状和尺寸，实现更灵活的模式整形。

上图为多层混合端面耦合器结构示意

光纤发出的光首先进入聚合物渐变波导，在低折射率层中形成大模场，与光纤高斯模式匹配；随后光逐层耦合进入 Si₃N₄ / LNOI 波导中，模场逐渐收缩并被硅基波导强约束，实现平滑的模场渐变与低损耗耦合。

核心思路： 利用端面倾角或镜面反射，让光在进入波导前折转方向，为特殊封装或非正入射路径提供空间。

典型结构：

· 在端面蚀刻出约 45° 的斜坡；或在该斜面上沉积金属形成反射镜；

· 光纤仍从侧面插入，但光线会在端面反射后进入波导层。

适用场景： 空间受限、波导层较深或需垂直—水平转换的封装结构。 

核心思路：从平面结构进化到三维光学结构，在端面或光纤端添加可打印微透镜或自由曲面光波导，显著放宽装配公差。

意义： 这是端面耦合从“平面波导”走向“空间光学”的关键一步，用可打印、可调的微光学结构换取更大的封装容差与更高的产线效率。

上图为3D 纳米打印 Photonic Wire Bond 在混合集成光子模块中的应用↑

近五年端面耦合的演进路线

结构更立体 → 模式更可控 → 封装更宽容 → 产业更可行。

1. 损耗：端面耦合做到 0.5–1 dB 相对容易，垂直耦合一般是 1.5–2.5 dB，要做到 <1 dB 需要一些复杂的设计

2. 工艺/封装难度：端面耦合的要求较高，端面要切割、抛光，还得高精度对准；垂直耦合则工艺相对简单，可在晶圆级直接测试，不需光纤插拔，对大规模生产更友好。

3. 灵活性：垂直耦合可以在芯片上“随便开口”；端面耦合位置是固定的，但更适合和现有光纤阵列做阵列对接。

总的来看，端面（水平）耦合因为低损耗、易与阵列对接、与传统光纤生态兼容等特点，会持续发光发热。从科研和产业发展角度来看：

Ø 短期内，研究会继续围绕“更宽带、更偏振无关、更大容差的 edge coupler”做结构创新；

Ø 中期更多看到 3D 打印微光学+被动对准的量产方案；

Ø 长期则可能跟 3D 光子集成、光电共封装一起，形成标准化的光学接口。

上图是高性能光子芯片端面耦合器的代表，通过多材料和多级锥形的设计，精确控制模式转换，以实现极低的光纤耦合损耗。上下两部分分别展示了光子集成中的微光学封装技术 (FaML) 和高性能芯片集成耦合器 (多层EC)。

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