硅光芯片与光纤的耦合方式：什么是边缘耦合和光栅耦合？

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随着AI数据中心、高性能计算（HPC）以及CPO（Co-Packaged Optics，共封装光学）技术的发展，越来越多的光学功能被集成到尺寸仅几毫米甚至更小的光子集成电路（PIC）中。

与传统可插拔光模块不同，CPO将电子集成电路（EIC）与光子集成电路（PIC）共同封装在同一基板上，使光引擎尽可能靠近交换芯片或CPU/GPU，从而缩短电信号传输距离，降低功耗和传输延迟，并进一步提升系统带宽密度。

然而，无论光子芯片内部集成了多少激光器、调制器、探测器或光波导，光信号最终仍需要通过光纤与外部网络进行连接。这就引出了一个关键问题：如何让光纤中的光高效进入PIC波导，或者让PIC中的光低损耗地输出到光纤？

为什么光纤与PIC耦合如此困难？

看似简单的“光纤对准芯片”，实际上远比想象中困难。PIC中的波导尺寸通常只有亚微米至数微米级（如典型尺寸0.3~0.5μm），而单模光纤的模场直径约为8~10 μm。这意味着两者在尺寸、模式分布以及对准精度方面存在显著差异。只要产生微米等级的位移偏差，就会导致严重的光信号损耗。在CPO系统中，这种挑战会被进一步放大。因此，实现低损耗、高效率、高可靠性的光能传输，始终是硅光封装领域的核心课题之一。

这种连接光子芯片与光纤的关键技术，被称为 PIC-to-Fibre Coupling（光纤耦合）。目前，业界最主流的两种实现方式分别是边缘耦合（Edge Coupling，EC）和光栅耦合（Grating Coupling，GC）。两者在光路设计、封装工艺以及系统性能方面各有特点，也成为当前硅光封装与CPO系统设计中的重要技术路线。

什么是边缘耦合？

边缘耦合，也被称为对接耦合或端面耦合。简单理解，就是光纤端面与波导（芯片）端面直接对接，使光沿着波导传播方向进入芯片。这种方法直观简单，但由于硅波导尺寸远小于光纤模场，直接对接会导致严重的模式匹配。为实现低损耗，通常需要对波导、光纤或者两者进行工程设计以改善此现象。

为了解决这一问题，芯片侧通常会设计模斑转换器（Spot Size Converter, SSC），如下图(a)所示，通过改变光斑形状和大小，使其更接近光纤输出的光斑形态，从而降低耦合损耗。模斑转换器的设计有很多，正向楔形、反向楔形、三叉戟结构，目前常用的结构是反向楔形。SSC可以将硅光波导（如0.5μm）的光模场扩束到3μm左右，这样就提高了耦合效率。但是与单模光纤的9μm纤芯直径还是存在一些差距，仍然存在很大的模场失配。

为了进一步改善模场匹配并提升耦合效率，主要接口-光纤阵列端面还会集成微透镜（Micro lens）、高数值孔径光纤（High-NA Fiber）等微光学结构。如上图（b）所示，微透镜的作用是将从光纤出来的发散光进行聚焦并导向芯片，引导光束进入波导。这样通过波导和光纤两端的设计，让光纤端面和波导端面之间的界面处实现平滑的模式过渡，减少反射和散射，确保耦合效率。

这种耦合方式的优点是耦合损耗小、带宽大，而且能够在不改变光路的情况下进行对准，但对对准精度要求极高，封装工艺复杂，对制造一致性和设备能力提出了更高要求。

什么是光栅耦合？

光栅耦合是通过光栅的衍射效应把光耦合至光波导。光栅是一种具有周期性结构的光学元件。所谓周期性结构可以理解为按照固定间距重复排列的微纳结构，如下图（a）。例如在硅光芯片表面刻蚀出一系列平行沟槽。由于硅和空气具有不同的折射率，这种重复排列的结构会形成周期性的折射率变化，从而产生衍射效应。

如上图（b），光从顶部进入，光纤以较小的角度位于光栅上方。当光到达光栅时，周期性结构会散射光并将其向下弯曲进入波导。光栅耦合的主要优势在于能够容纳多排光纤，从而允许每个光引擎使用更多光纤。

为了进一步提高耦合效率，光栅耦合方案通常也会引入各种微光学结构。例如在光纤阵列端集成微透镜阵列（Micro Lens Array），对入射光进行聚焦；或者采用棱镜（Prism）结构实现光路转向，使光纤布局更加灵活。目前广泛应用的光栅垂直耦合封装、光栅平面耦合封装，本质上都是围绕光栅耦合发展出来的不同实现形式。

光栅耦合器的定位精度要求不高，并且可以通过简单的两步蚀刻工艺轻松制造。缺点是单偏振光栅耦合器仅适用于有限的波长范围，并且对偏振非常敏感。也需要对光栅结构进行精心设计和制造。

无论采用边缘耦合还是光栅耦合，其核心目标都是实现PIC与光纤之间的高效光能传输。然而，耦合结构本身主要解决的是光路转换与模式匹配问题，而在实际系统中，要实现大规模、高一致性和高可靠性的光连接，还需要依赖连接光纤与PIC之间的高精度物理接口。

作为连接光纤与PIC的重要载体，在CPO系统中，光纤阵列不仅关系耦合性能，也直接影响封装复杂度、制造良率以及系统长期可靠性。随着光纤阵列通道数增加、间距缩小，对纳米级对准、多通道并行耦合和良率控制要求显著提升。未来的PIC-to-Fibre Coupling将不再是单纯的光学耦合问题，而是PIC、光纤阵列、微光学以及先进封装技术协同设计的系统工程。