在硅光子技术快速发展的背景下，光纤与芯片波导的高效耦合始终是制约系统性能提升的关键瓶颈。近期，Xu等科研人员在《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》发表的研究成果，为这一难题提供了创新解决方案——一种基于梯度折射率（GRIN）透镜并辅以互补锥结构的边缘耦合器[1]，实现了标准单模光纤（SMF）与硅波导的低损耗、宽带宽、偏振不敏感耦合，同时显著简化了制造工艺，为硅基光子芯片的实用化进程提供了重要支撑。
硅基光子芯片凭借低延迟、高传输速率等优势，成为5G、云计算等领域的核心载体。然而，硅材料无法集成片上光源，需通过外部光纤与片上波导耦合实现光信号传输。目前主流的耦合方式中，光栅耦合存在损耗高、偏振敏感等局限；传统边缘耦合虽性能更优，但在适配标准单模光纤（SMF，模场直径10.4μm）时，常因模场失配导致损耗增加，且复杂结构（如多层、3Dtaper）加剧了制造难度。
基于渐变折射率（GRIN）透镜的边缘耦合器因工艺稳定、偏振不敏感等特性被寄予厚望，但传统设计需数十层交替材料，如Loh[2]等人设计的边缘耦合器需要40对Si-SiO₂交替层，Lim[3]等人的设计需要20层以上，这无疑增加了制造复杂性和成本。如何在简化结构的同时保持高性能，成为该领域的核心挑战。
（一）整体结构：两层协同实现高效模场转换
该耦合器基于标准SOI晶圆（BOX厚度3μm，顶层硅220nm），由GRIN透镜与互补锥结构组成，如图1所示。GRIN透镜含5层SiON薄膜，折射率自上至下递增，将SMF的10.4μm模场垂直压缩至3.5μm并聚焦于底层；互补锥结构由SiON锥与Si逆锥构成，进一步压缩模场至硅波导尺寸，实现高效匹配。
图1边缘耦合器示意图
（二）GRIN透镜：从11层到5层的简化突破
初始设计的11层GRIN透镜虽性能优异，但制造复杂。研究团队基于有效介质理论（EMT），将折射率相近的层合并为5层，通过下面公式计算等效折射率，确保聚焦性能接近理想“无限层GRIN透镜”。仿真显示，5层结构与11层的耦合损耗差异可忽略，如图2所示。
公式：
图2三种梯度折射率透镜的性能比较
（a）折射率分布；（b）电场演化；（c）耦合损耗
（三）互补锥结构：参数优化实现低损耗转换
互补锥的长度（Lt）与Si逆锥尖端宽度（Wtip）是关键参数。仿真表明，Lt≥700μm、Wtip=40nm时可实现近无损耗转换；即使Lt缩短至290μm，TE/TM模式损耗仍<0.5dB，如图3所示。
图3(a)互补锥形结构的电场演化；
（b）yz平面在不同位置的模场分布；
（c）互补锥结构长度Lt和硅倒锥尖宽度Wtip对耦合损耗的关系；
（d）互补锥形结构内TE和TM模式的模场分布
研究采用Ansys Lumerical软件，分阶段完成仿真优化：
1、2D-FDTD仿真：优化GRIN透镜，设置网格精度50nm×50nm×20nm，边界为PML，光源为模式光源。结果显示，1550nm处TE/TM模式损耗低至0.039dB/0.052dB，焦距72μm时性能最优，如图4所示。
图4GRIN透镜焦距Lf与耦合损耗的关系
2、EME仿真：独立优化互补锥结构，分析其模式转换效率，分析模场演化，确定Lt与Wtip的最佳范围，确保模式平滑转换。
3、3D-FDTD仿真：验证整个边缘耦合器的性能，确保各部分协同工作的有效性。1450-1650nm波段内，TE/TM模式损耗均<0.3dB，1550nm处分别为0.128dB/0.179dB，宽带宽特性显著，如图5所示。
图5（a）整个边缘耦合器的电场演化；
（b）边缘耦合器的耦合损耗谱。
（一）精密制备：四步流程确保结构精度
1、硅波导制备：通过EBL光刻与ICP-RIE刻蚀（C₄F₈/SF₆气体）形成垂直侧壁。
2、SiON薄膜沉积：采用ICPCVD技术，通过调节N₂O流量控制折射率，Ar气保障膜厚均匀性。
3、薄膜蚀刻：用Cr硬掩模选择性蚀刻上层4层SiON，保留底层用于模场耦合。
4、沟槽制备：EBL光刻后ICP-RIE刻蚀沟槽，防止光泄漏。
图6边缘耦合器的制造工艺流程
（二）性能指标：低损耗、宽带宽、偏振不敏感
测试系统采用可调谐激光器（1510-1600nm）与光功率计，结果显示：
1、1550nm处，TE/TM模式耦合损耗分别为1.21dB/1.78dB，偏振相关损耗（PDL）仅0.5dB。
2、1dB带宽超90nm（受激光器范围限制），1510-1600nm内损耗波动<1dB。
3、与传统GRIN耦合器相比，5层结构大幅简化工艺，性能更优。
参考文献：
[1] Xu J, Guo C, Li Y, et al. Graded-Index Lens Based Edge Coupler With Low-Loss, Broad Bandwidth for Efficient Coupling Between Silicon Waveguide and Standard Single-Mode Fiber[J]. Journal of Lightwave Technology, 2024.
[2] Loh T H, Wang Q, Zhu J, et al. Ultra-compact multilayer Si/SiO2 GRIN lens mode-size converter for coupling single-mode fiber to Si-wire waveguide[J]. Optics express, 2010, 18(21): 21519-21533.
[3] Lim K P, Ng D K T, Pu J, et al. Graded-index thin-film stack for cladding and coupling[J]. Applied Optics, 2016, 55(24): 6752-6756.
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