学习关于硅光芯片光纤耦合的综述文章（一）

4/28/2024，光纤在线讯，硅光技术走向成熟在最近的OFC2024上越发看得明显。这一成熟体现在许多关键的细节上，其中之一就是硅光芯片与光纤的耦合。最近找到一篇2020年清华大学深圳研究院Xin Mu等撰写的综述文章：“硅光集成芯片边缘耦合器综述”，整理几个关键点学习一下，也供大家参考。

先看文章的结论部分：“近年来的研究工作证实了硅光技术在实现光子集成芯片领域的价值所在。为实现有效的数据传输，基于硅光技术的光互联是个关键问题。垂直耦合和边缘耦合两种主要的芯片到光纤耦合机制各有优缺点。相比之下，边缘耦合具有更高的耦合效率，更宽的工作带宽，更低的偏振相关。这篇文章首先从硅光光纤到芯片耦合器的研究背景和应用出发，讨论了其工作机理，设计原则，对已有边缘耦合器的性能做了总结，对边缘耦合器在水平和垂直方向的结构变化做了分类和详细分析。此外还对边缘耦合器和光栅耦合器进行了简单的对比，并讨论了封装问题。最后，文章还讨论了关于边缘耦合器一些试验中的问题，包括偏振操作，多层集成平台，反向设计方法等。”

第二，我们去看看文章中提到的当前硅光边缘耦合器的研究进展。如下表所示，最好的耦合效率达到了超过95%（0.21dB），当然可能面临制造难题。还可以看到小于1dB损耗的试验结果已经不止一个。在这里，作者特别提醒芯片端面的处理问题以及光纤和芯片连接器的设计问题（匹配液和距离）。

第三，关于和垂直耦合（主要是光栅耦合）的对比。光栅耦合的优点主要在于方便晶圆测试，对准和测量机制灵活，尺寸更小。但其缺点也很明显，主要是损耗大（光栅内在的衍射和散射），带宽比较窄（光栅自己带有滤波效应），还有就是偏振敏感。尽管也有一些办法可以克服以上问题但是必然引入更复杂的结构。对比之下，边缘耦合器的缺点主要在于不方便晶圆测试（对准精度高，只能在芯片端面耦合），以及尺寸比较大，部分结构制造工艺也很复杂。

第四，文章虽然是主要讲边缘耦合器，但是考虑到实际的光器件封装方面，却是在推荐光栅耦合方式。光栅耦合具有更大的模场直径MFD,方便和单模光纤耦合，也适合多纤耦合。为什么边缘耦合性能好却不受欢迎，一个原因是边缘耦合天生的低失配性（1550nm附近，2微米变动就会带来1dB以上损耗），另外一个是对光纤端面和芯片端面的处理比较麻烦。解决办法包括引入HNA高数值孔径光纤，还有就是使用V槽（但是尺寸比较大）。