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发布时间：2025-12-15 08:32:49 人气：
前言
Arrayed waveguide gratings (AWG)
阵列波导光栅是密集波分复用（DWDM）系统中的核心器件，负责对多波长信号进行分离或合束。尽管AWG本身性能卓越，但其实际应用效果在很大程度上取决于一个关键环节——如何高效地将光纤中的光耦合进AWG芯片？
典型 AWG 模块实物图↑
AWG 利用阵列波导的光程差将不同波长转换成空间位置上的差异，从而实现波长的分离，反过来AWG也可以进行不同波长的合束。↑
由于光纤与芯片波导在模场尺寸、折射率、机械对准精度等方面存在显著差异，耦合结构的设计已成为AWG器件工程化不可或缺的一部分。本文将介绍常见耦合方案及其适用场景。
一、为什么AWG与光纤耦合具有挑战？
光纤的模式场直径通常为 8–10 μm，而硅基或 InP 波导的模式场仅 1–3 μm。 这种“模场尺寸不匹配”是导致耦合损耗的主要原因。此外：
折射率差异大 → 产生菲涅尔反射
空间对准容差小 → 极易引入额外损耗
封装稳定性要求高 → 需长期保持耦合效率
因此，耦合设计的核心目标可以概括为三点： 模场匹配、反射抑制、对准容差提升。
光纤（大光斑）与波导（小光斑）的模场直径差异示意↑
二、耦合方案设计
锥形波导：工程界最成熟、最主流的耦合方式
在所有耦合方案中，锥形波导（Taper）因其高可靠性与易加工性，被广泛应用于商用AWG模块。
1. 反向锥形（倒锥）——行业标准方案
反向锥形通过逐渐减小波导宽度，使光场自然扩展到更大尺寸，从而与光纤模场更匹配。
优势包括：
高耦合效率，宽带特性优良，工艺容差大、加工难度适中
因此，倒锥结构几乎成为当前端面耦合AWG模块的默认选择。
上图展示了利用倒锥形渐变结构，让光从光纤的大模场平滑演化成硅波导的微小模场，实现高效低损耗的模式匹配。↑
2. 正向锥形
通过扩大端面波导宽度实现模场转换，但对加工精度、端面反射控制要求更高，应用相对较少。
光栅耦合：适用于多通道集成的垂直耦合方案
表面光栅耦合器（Grating Coupler）可将芯片内的光“折射”到垂直方向，使光纤从芯片上方耦合入射。
其优点包括：
支持晶圆级测试，便于光纤阵列对准，适合集成化、大规模制造
但是其局限为带宽相对较窄，对偏振敏感。通过双层光栅、啁啾光栅、底部反射镜等设计，可显著提升效率和带宽。
总体而言，光栅耦合在硅光测试与光纤阵列封装中优势突出，但在要求宽带、高一致性的DWDM模块中，端面耦合仍占主导。
光栅耦合（Grating Coupler）示意图。通过在硅波导表面刻蚀周期性结构，使光纤斜入射的光束耦合进入波导模式。↑
透镜与准直：为耦合增加一个“中间整形环节”
当模场差异较大或对准精度要求极高时，工程上常通过外部光学元件优化耦合
透镜光纤 / 锥形光纤：在光纤端头加工微透镜，提高光纤输出的聚焦能力
GRIN微透镜：用于对发散光进行准直
微透镜阵列：适用于多通道AWG，提升多路间一致性和对准效率
优点是灵活适应不同器件； 不足是封装复杂度与成本显著提升。
三、提高耦合效率的关键技术
无论采用哪种耦合结构，以下技术手段在工程中都十分常见：
1. 模场匹配与模式转换
通过倒锥波导、增大纤端模场等方式，提高模式重叠程度，是降低损耗最有效的方式之一。
2. 仿生蛾眼纳米结构
通过在端面刻蚀亚波长锥形阵列，形成“渐变折射率层”，显著降低反射。具有宽带、耐久、不掉膜等优势。
3. 传统抗反射膜（AR Coating）
成熟可靠，可有效降低界面反射，但存在带宽限制与膜层损伤阈值问题。
4. 端面角抛光与APC光纤
通过将光路反射方向偏离波导，可有效抑制背反射，提高系统稳定性。
总结
AWG 与光纤的耦合虽然只是芯片封装中的一个环节，但它直接决定了器件的插入损耗、系统稳定性以及大规模量产能力。
随着集成光子技术的不断演进，未来的耦合方式将更加高效、自动化，也将进一步提升AWG系统的整体性能。
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