據中國激光雜志社網，于2025年10月18日報道，數據中心帶寬需求的指數級增長對光通信技術提出了前所未有的挑戰。隨著云計算、人工智能和大數據應用的普及，傳統單模光纖的傳輸容量逐漸逼近香農極限。空分復用技術通過多芯光纖實現空間并行傳輸，成為突破單纖容量瓶頸的關鍵路徑。多芯光纖內部包含多個獨立纖芯，可同時傳輸多路信號，理論上成倍提升光纖通信容量。
然而，這種技術優勢的實現面臨核心難題：如何將硅基光子芯片上的光信號高效耦合至多芯光纖的微米級纖芯中。傳統解決方案采用傾斜光柵耦合器，其設計通常需要5°–10°的固定傾角以抑制二階布拉格反射。完全垂直光柵耦合器理論上可完美解決角度問題，但在220 nm絕緣體上硅（SOI）平臺的實際應用中遭遇雙重瓶頸：一方面，傳統設計方法依賴經驗試錯，面對數十個光柵參數的復雜優化時效率低下；另一方面，為實現高效率所需的結構特征尺寸往往低于100 nm，或需要多層刻蝕工藝，與主流多項目晶圓制造(MPW)工藝存在顯著兼容性障礙。
研究內容與亮點
針對上述挑戰，南京航空航天大學天元實驗室研究團隊提出基于伴隨優化算法的逆向設計方法，在標準220 nm SOI平臺開發了工藝兼容型垂直光柵耦合器。該方法的核心突破在于采用數學優化替代人工試錯：首先建立包含50個可調參數（光柵齒長Loi與槽長Lei）的初始模型；通過單次正向光場傳播仿真獲取輸出端場分布；隨后進行伴隨場反向傳播計算，同步獲取所有參數對目標函數的梯度信息。這種雙場仿真機制使優化效率產生量級提升——結合L-BFGS-B優化算法，在配備Intel Xeon W-2255處理器的十核服務器上僅耗時2小時即完成收斂。設計過程嚴格嵌入工藝約束條件：強制所有光柵特征尺寸≥200 nm，刻蝕深度限定為70 nm，完全匹配193 nm深紫外光刻的MPW工藝設計規則。
器件的物理實現采用扇形聚焦結構，總尺寸控制在36 μm×24 μm。扇形末端連接500 nm寬的單模波導，前端光柵區由25個周期單元組成。在1550 nm通信波段，仿真預測峰值耦合效率為-2.98 dB（對應51.3%光功率轉換效率），3 dB帶寬達50 nm。實際測試顯示，峰值效率達到-3.89 dB（約40.8%效率），3 dB帶寬43 nm。效率差異主要源于制造過程中的側向過刻蝕效應：電感耦合等離子體刻蝕導致實際刻蝕寬度比設計值增加約8 nm，引起中心波長向短波方向偏移7 nm（實測峰值波長1543 nm）。垂直耦合特性通過傾角實驗驗證：當單模光纖傾斜角度從0°增至3°、6°和9°時，峰值效率分別下降至-4.15 dB、-4.98 dB和-6.72 dB，同時中心波長產生12 nm藍移，該現象與嚴格垂直耦合的理論模型吻合。
工藝容差分析揭示器件的魯棒性優勢：在刻蝕寬度±10 nm偏差條件下，峰值效率始終優于-4 dB（對應40%效率下限），帶寬保持35 nm以上；當刻蝕深度在±20 nm范圍波動時，效率波動范圍控制在-3.9至-4.3 dB之間。這種強容差特性為大規模制造提供了關鍵保障。針對七芯光纖應用開發的耦合陣列，其通道間距精確控制在42±0.5 μm，匹配標準七芯光纖幾何參數。陣列測試數據顯示：七個通道的峰值效率分布在-4.37至-4.67 dB區間（平均-4.45 dB），通道間均勻性標準差0.12 dB（相當于最大差異2.8%）；3 dB帶寬范圍31.8-35.8 nm（均值33.5 nm）；中心波長偏移控制在1549-1552 nm范圍內（最大偏差<3 nm）。性能波動主要來源于晶圓級制造中的空間非均勻性，以及測試時各通道光纖微米級對準偏差。
總結與展望
該研究通過伴隨優化算法與工藝約束的協同創新，在標準220 nm SOI平臺實現了兼具高效率與制造可行性的完美垂直光柵耦合器設計；其技術價值主要體現在三個方面：首先，單步刻蝕工藝完全兼容多項目晶圓服務，顯著降低量產成本；其次，七芯光纖陣列的亞分貝級均勻性（0.12 dB誤差）為高密度空分復用系統提供了可靠的光接口方案；最后，嚴格的垂直耦合特性從根本上消除了傳統傾斜結構導致的多通道串擾問題。該器件已通過中科微光子科技公司的商用MPW流程驗證，為下一代數據中心光互連模塊提供了可立即部署的解決方案。
面向未來技術演進，研究團隊將在多個方向持續探索：在效率提升方面，通過引入氮化硅-硅復合結構或優化閃耀光柵剖面，目標將耦合效率提升至70%以上（對應-1.55 dB）；針對高芯數系統需求，將開發適配19芯/37芯光纖的密集陣列，重點解決微米級間距下的串擾抑制問題。此外，該技術路線有望突破傳統平面光互連的限制，為異構集成芯片提供新的三維光電互連路徑。
作者簡介
田野，南京航空航天大學研究員，主要從事光電信號處理、硅基光電子集成及智能光學系統設計方面的研究。
李昂，南京航空航天大學教授，博士生導師，國家優青，江蘇省特聘教授。主要從事光電融合傳感和計算芯片、集成微波光子器件方面的研究。以獨立第一/通訊作者在Nature Communications、Light: Science & Applications、Engineering、Optica、PhotoniX、Opto-Electronic Advances、Laser Photonics Reviews 等期刊發表論文16篇，擔任IEEE Nanotechnology Council技術委員會成員；PhotoniX、Chip 等期刊青年編委，獲得世界光子大會發明展金獎（光電融合計算芯片）、入選江蘇青年科技人才“U35培育”對象、PhotoniX Prize、ICOCN Young Scientist Award、世界光子大會發明展金獎（集成光譜儀）、“硅基光電子三年優秀成果獎”、南京航空航天大學青年學者創新獎。
作者簡介
《激光與光電子學進展》創刊于1964年，由中國科學院主管、中國科學院上海光學精密機械研究所主辦、中國激光雜志社出版，是國內激光領域的第一本期刊。2019年出版我國光學界第一本半月刊，繼而又出版“先進成像”專題子刊。《激光與光電子學進展》目前被EI、ESCI、Scopus、INSPEC 、CSCD 、中文核心期刊、中國科技核心期刊等收錄，位列中國科學院期刊分區3區和《光學工程和光學領域高質量科技期刊分級目錄》T2級。獲得 “中國精品科技期刊 ”“ 華東地區優秀期刊”“ 中國最具國際影響力學術期刊”“中國科學院出版基金中文科技期刊擇優支持項目”等榮譽。2024年入選“中國科技期刊卓越行動計劃”支持期刊。
