用于薄膜氮化硅工艺中垂直耦合的高效光栅耦合器

芯片上的光之高速公路

我们的手机、数据中心和科学仪器越来越多地使用光而非电来传输信息。但要在微小的芯片上使用光，需要一种高效的“匝道”，将光从标准光纤传输到刻蚀在芯片上的微型波导中。本文报道了一种新型匝道，特别适用于一种有前景的材料体系——薄膜氮化硅，将光纤到芯片的耦合损耗推向未来超快、低功耗光子电路所需的更低水平。

为什么让光进出芯片如此困难

光子集成电路通过芯片上如发丝般细的通道引导光，以执行传感、通信甚至量子实验等任务。尽管这些波导可以以极低的损耗传输光，但将它们与外部世界连接却出乎意料地困难。标准光纤具有相对较大、分布柔和的光场，而芯片波导则将光紧密束缚。如果这些光场的形状和方向不匹配，大部分光会被反射或丢失，就像试图把水从宽软的水管推入一根与之不匹配的窄管一样。光栅耦合器——位于芯片表面的小型周期性结构——像精细调制的衍射光栅一样，在垂直光纤与水平波导之间重定向光，但要同时做到高效率且易于制造一直是一项重大挑战。

薄膜氮化硅的前景与难题

氮化硅在集成光子学中成为明星材料，因为它能在宽波长范围内以极低的损耗引导光。在薄膜形式中，引导层仅几十到几百纳米厚，研究者已经展示出损耗低至每米不到分贝级别的波导——低到光可以在微小谐振腔中循环数百万次。然而，这种薄的几何形状也使光仅弱地被束缚在波导芯内，从而显著削弱了导光与表面光栅之间的相互作用。因此，薄膜氮化硅中的标准光栅耦合器往往效率较低，除非额外加入金属镜或高折射率覆盖层等结构，但这些会增加制造复杂性并使器件对微小工艺误差敏感。

一种新的双层光学匝道

作者通过在薄氮化硅波导之上叠加一层精心设计的富硅氮化硅来解决这一问题——本质上是同种材料的更致密、更高折射率版本——两层之间由一薄玻璃隔层分开。仅对顶层进行光栅图案化；底层波导保持完整，这样可以降低多次刻蚀步骤之间的对准要求。通过沿器件长度逐渐改变光栅鳍片的宽度和间距，他们调控各段的散射强度。这样的“加权化（apodization）”和“啁啾（chirping）”策略使光栅以可控的方式提取或注入光，使输出场分布与标准单模光纤的平滑、近高斯分布紧密匹配，同时仍将大部分光向上引导到光纤，而非向下进入衬底。

从计算设计到真实器件

为找到最佳几何形状，团队使用了详细的三维仿真来跟踪光在多层结构中的传播。一个自动化优化算法调整了关键参数，例如各层厚度、首个光栅周期以及占空比和周期沿结构变化的速率。最终设计使用了二十个光栅周期和相对较厚的顶层富硅层，事实证明其对制造误差比更薄或掺硅的替代方案更为宽容。灵敏度研究表明，即便实际膜厚或光栅尺寸中等偏离理想值，新设计仍能保持高性能，这是使用标准深紫外光刻工具进行大规模生产的重要要求。

在垂直入射配置下的创纪录性能

在200毫米晶圆上制造器件后，研究人员测量了从垂直放置的标准光纤进入片上波导并通过第二个相同光栅再传出的光量。通过扣除连接波导的损耗，他们提取出单个光栅的效率。在约1550纳米波长附近——通信领域的主力波段——这种新耦合器在每个接口处实现了约1.8分贝的创纪录低损耗，并在大约31纳米的带宽内将性能保持在1分贝以内。值得注意的是，这一成就是在没有任何金属后反射镜、配对液或倾斜光纤的情况下实现的；光纤垂直指向芯片，从而大大简化了封装和晶圆级测试。

这对未来光子芯片意味着什么

对非专业读者而言，这些数字意味着从光纤发射的光有更多实际进入芯片，反之亦然，相比之前的薄膜氮化硅平台有明显改进。更好的进出匝道可以降低总体损耗、放宽功率要求并简化光子芯片在实际产品中的测试与封装。由于富硅氮化硅层的特性可在沉积过程中调整，同一设计理念可以扩展到不同的波导厚度甚至其他材料体系。本质上，这项工作展示了一条兼顾实用性与制造友好的高效光纤到芯片接口路线，使低损耗光子电路在通信、传感和新兴量子技术中的广泛应用更进一步。

引用: di Croce, F., Vitali, V., Domínguez Bucio, T. et al. High-efficiency grating couplers for vertical coupling in thin-film silicon nitride technology. Sci Rep 16, 12880 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44998-0

关键词: 集成光子学, 氮化硅, 光栅耦合器, 光纤到芯片耦合, 光子电路