隨著硅光子學從研究向商業部署的過渡，有效地將光耦合到高度緊湊且功能強大的亞微米硅波導中的封裝解決方案勢在必行，但仍然具有挑戰性。220 nm 絕緣體上硅 (SOI) 平臺有望實現大規模集成，是代工廠廣泛采用的平臺，從而形成了成熟的制造工藝和廣泛的光子元件庫。因此，開發針對該平臺的高效、可擴展和寬帶耦合方案至關重要。

麻省理工學院的ANURADHA AGARWAL教授及LUIGI RANNO教授所在團隊發表了相關論文，提出了一種使用雙光子聚合 (TPP) 和基于費馬原理的確定性自由形式微光學設計方法，展示了一種在 220 nm SOI 平臺上的標準 SMF-28 單模光纖與硅波導之間的超高效、寬帶 3-D 耦合器接口。該耦合器實現了 0.8 dB 的低耦合損耗，1-dB 帶寬超過 180 nm。寬帶操作支持從通信到光譜學的各種帶寬驅動應用。

硅光子學因其在高度可擴展制造方面的固有優勢，影響了量子光學、神經形態計算、光通信、光譜學和傳感等多個應用領域。通過利用硅與其二氧化硅包層之間的高折射率對比 (Δn ~ 2)，該平臺實現了密集集成。還利用硅的高熱光系數、高速載流子調制能力以及與快速高效的鍺基光電探測器的單片集成實現了有源功能。此外，硅光子學還利用了為電子工業開發的成熟 CMOS 制造工藝，在光子學領域中占據了無可爭議的領先地位。

近年來，由于硅光子電路日益復雜和功能化，以及在制造可擴展性方面的關鍵優勢，我們目睹了硅光子學的不斷商業化部署。然而，光子封裝正逐漸成為一個主要瓶頸。光子封裝通常需要低吞吐量的定制工具和主動對準操作。因此，該過程占光子模塊總成本的 80%。光子封裝的高成本主要歸因于光耦合進出光子電路的難度。這是由于高折射率對比波導和光纖之間存在較大的模式場失配，這給高通量、低損耗耦合方案的實施帶來了重大障礙。涉及邊緣耦合或光柵耦合的傳統方法都有其各自的局限性。

例如，邊緣耦合器只能放置在相當有限的芯片海岸線上，妨礙了芯片面積的充分利用，并施加了嚴格的設計限制（例如，對接觸焊盤定位的限制）；

(ii) 盡管已經提出了一些解決方案，但很難在晶圓級進行測試；

(iii) 通常需要與被動對準方法不兼容的亞微米對準公差。另一方面，光柵耦合器由于光學衍射固有的波長敏感性，通常效率不高并且表現出很強的波長依賴性。從更廣泛的角度來看，普遍存在的 I/O 問題可能會損害光子系統的競爭優勢，因為高耦合損耗會增加光子鏈路功率預算和整個系統的整體能耗。因此，解決光子封裝瓶頸仍然是該領域緊迫的挑戰之一。克服上述限制將能利用現有的電子封裝基礎設施來大幅降低成本。

雙光子聚合 (TPP) 已被提出作為一種潛在方法，可為集成光子學提供有效的耦合策略。釋放第三幾何維度作為額外的自由度，使 TPP 能夠獨特地生成具有亞微米對準精度的復雜 3D 設計，同時與晶圓制造完成后進行后端集成兼容。此外，TPP 編寫的結構在光子組裝過程中具有光機械對準優勢。開創性工作已證實 TPP 是一種可行的技術，隨著穩健且多功能的光子封裝的日益商業化部署，已經證明了波導與其他波導、激光器、自由空間和光纖的光學耦合。

這項工作解決了有關硅波導可擴展芯片到光纖光耦合的幾個突出方面：

1) 使用 Nanoscribe雙光子聚合TPP 技術和 IP-n162 樹脂，通過 Photonic Professional GT2 系統以 60 mW 的平均激光功率和 100 nm 和 200 nm 的孵化/切片距離進行打印，已經展示了用于代工廠制造的硅波導的高效自由形式耦合器，耦合損耗低至 0.8 dB。耦合器基于光學反射進行操作，并通過費馬原理進行設計。雖然衍射和折射表現出固有的波長依賴性，但光學反射構成了一種與顏色無關的現象，可在全內反射 (TIR) 狀態下引起超低光損耗。

2) 硅波導到光纖的自由形式耦合器與包層波導兼容，從而實現代工廠兼容性。在上述示例中可以明顯看出，自由形式耦合器迄今尚未解決這方面的問題。

3) 與光纖以一定角度（即 9°）耦合的光柵耦合器不同，本文中的光纖是表面法線的。隨著硅光子電路集成度的不斷提高，在單一平面內容納高密度的電輸入/輸出 (I/O) 將面臨越來越大的挑戰。當光纖垂直耦合到硅波導到光纖自由形式耦合器時，這種情況將得到緩解。此外，可以垂直光纖耦合的能力意味著與電子封裝中使用的標準對準工具兼容。

4.) 自由形式耦合器對光纖未對準具有高度彈性。這大大降低了光子封裝所需的精度，從而可以使用來自電子封裝的標準拾放工具和工藝。此外，耦合器還可耐受制造變化。

5.) 反射器在高達 250 °C 的溫度下表現出良好的結構彈性，表明與回流焊兼容。

6.) 耦合器的寬帶寬實現了影響深遠的波長多樣化應用，例如神經形態計算、波分復用 (WDM) 通信或光譜傳感。之后，我們提出了一種方法，可以實現反射器的大規模封裝，以實現彈性光纖或光纖陣列粘合，這與該技術的實際部署相關。

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