多伦多大学：基于飞秒激光直写的多芯光纤-硅光芯片超密垂直耦合光学中介层

在光通信、数据中心、量子光学及生物医学等领域，硅光子（SiP）技术已发展为极具影响力的集成光学平台。然而，硅光子芯片的微型化特性与先进光网络中尺寸约为其30倍的波导之间的互联鸿沟，成为下一代光互联技术向更高通道密度、更大通道数量升级且维持低损耗设计的核心挑战。边缘耦合技术虽已成熟，但其封装密度受限，而垂直耦合凭借更宽松的对准与封装公差、更优的模式匹配效率，成为突破这一瓶颈的关键方向。

近日，来自多伦多大学的研究团队利用飞秒激光在玻璃中写入的微加工技术，成功制备出集成波导、全内反射（TIR）微镜与光纤插座的光学中介层芯片，实现了40路光通道的超密路由与5dB损耗的垂直耦合，为高密度光互联提供了革命性解决方案。

链接：https://arxiv.org/abs/2512.01972

一、技术背景：垂直耦合的核心诉求与现有方案局限

硅光子芯片上的光栅耦合器具备极高面密度，当前多芯光纤（MCF）的芯密度已达448芯/mm²，要充分释放两者的密度潜力，垂直耦合是必然选择。相较于波导间绝热耦合，光栅耦合因对准容错率高、耦合效率优而更受青睐，其优势足以抵消带宽（<100 nm）与偏振选择性带来的限制。

此前的垂直耦合方案存在明显短板：部分方案虽实现了37路光纤通道的垂直耦合，但光纤需垂直挂载于硅光子芯片上方，受限于弯曲半径无法实现紧凑封装；聚合物中介层虽能实现二维扇出，但热稳定性与鲁棒性不足；传统玻璃中介层的大尺寸反射镜-波导路由难以满足硅光子芯片所需的高通道密度，而离子交换、聚合物波导等方案则受限于通道数量或封装复杂度，无法实现40通道及87通道/mm²的高密度耦合需求。

为解决这些问题，研究团队提出基于飞秒激光照射与化学蚀刻（FLICE）技术的玻璃中介层方案，利用飞秒激光的三维加工能力，在玻璃基板内制备低损耗TIR微镜与高密度波导电路，实现多芯光纤与硅光子光栅耦合器的紧凑、低损耗垂直互联。

二、中介层设计：三维匹配与高密度路由优化

该中介层的核心设计目标是实现多芯光纤与硅光子芯片光栅耦合器之间的三维波导链路匹配。硅光子芯片上的光栅耦合器以10个/行的密度排列，间距为127μm×90μm；所采用的多芯光纤（Chiral Photonics MCF-007_2）包含7个纤芯，6个外围纤芯呈六边形环绕中心纤芯，芯间距37μm。为匹配光栅耦合器的高密度，研究团队设计了三种不同的微镜与波导布局方案，均瞄准40路输入/输出通道的互联需求。

设计A采用最简单的波导路由配置，10组微镜呈线性排列，中介层高度为2mm；设计B通过引入额外S弯压缩微镜布局，将高度缩减至1mm，镜组横向偏移±Z方向30μm；设计C则通过波导交叉实现紧凑布局，镜组在+Y方向偏移50μm，同样维持1mm的紧凑厚度。三种方案均采用最小50mm的波导弯曲半径，通过三维路由使波导可绕开、跨越或穿过微镜，在保证低损耗的同时实现紧凑设计。其中，设计A的波导横向偏移较大（103-153μm），而设计B和C的偏移更小（65-76μm），为更低损耗奠定基础。

三、制备工艺：飞秒激光微加工的精准实现

中介层采用Corning 7980熔融石英玻璃作为基板，通过飞秒激光微加工与化学蚀刻相结合的工艺制备。所使用的Amplitude Satsuma HP2光纤激光器经倍频后，输出脉冲宽度250fs、重复频率500kHz的激光，通过40倍非球面空气透镜聚焦至0.8μm半径（1/e²强度），结合亚微米精度的运动平台实现三维精准写入。

波导制备采用连续激光扫描模式，扫描速度0.1mm/s，激光极化方向与扫描方向平行，波导深度范围为50μm至320μm。为补偿深层聚焦的像差影响，研究团队优化了不同深度的激光曝光参数，使波导传播损耗最低可达0.20dB/cm。TIR微镜通过FLICE技术制备，激光扫描速度0.4mm/s、脉冲能量40nJ，经5%氢氟酸蚀刻后形成表面粗糙度低至10nm rms的光学级反射面，微镜与波导呈50°倾斜，反射损耗仅0.4-0.8dB。

光纤插座的设计是高密度封装的关键创新，长度从原有50μm增至250μm以提升光纤键合的坚固性，采用1×6或2×3的排列方式，中心间距小于300μm，实现133通道/mm²的面封装密度。通过优化激光脉冲能量（深层80nJ、浅层100nJ）与插座尺寸偏移，确保多芯光纤纤芯与中介层波导的微米级对准，额外耦合损耗小于0.2dB。

四、实验结果：低损耗与高稳定性的双重验证

对三种设计的测试结果显示，波导横向偏移与插入损耗呈正相关：设计B的最小波导偏移（65±22μm）使其扇出平均损耗低至-1.12dB，完整器件平均损耗-2.03dB；设计C作为最紧凑的方案，扇出平均损耗-1.20dB，完整器件平均损耗-2.06dB，与设计B性能相当；设计A因偏移较大，完整器件平均损耗最高达-2.45dB。

最终，研究团队选择设计C-1进行全封装制备，经深度校准（调整为50、136、223、310μm）与纤芯间距优化（从37μm增至38.5μm），进一步提升耦合效率。

全封装后的中介层与硅光子芯片通过紫外固化环氧胶键合，多芯光纤经自对准插座固定。测试结果显示，在1505nm波长下，系统平均单程插入损耗为-5.0dB，最小损耗低至-3.2dB（loop 11）；在1550nm通信波段，通道损耗可优化至-4.0dB左右。封装后两周的稳定性测试表明，损耗退化小于0.1dB，展现出优异的长期可靠性。

与现有方案相比，该中介层优势显著：相较于团队此前的边缘耦合中介层（-6.5dB损耗），垂直耦合方案损耗降低1.5dB，通道密度从33通道/mm提升至150通道/mm²；相较于无TIR微镜的垂直耦合方案，该设计实现了2mm的超薄封装，支持光电集成的多层堆叠；与聚合物波导、离子交换波导等方案相比，其40通道的规模与87通道/mm²的密度均处于领先水平。

五、结论与展望

该研究通过飞秒激光三维微加工技术，成功实现了玻璃基光学中介层的全封装与验证，为多芯光纤与硅光子芯片的超密垂直耦合提供了稳健、紧凑的解决方案。其核心优势在于飞秒激光加工带来的设计灵活性，能够精准制备三维波导与TIR微镜组件，在玻璃基板的全体积内实现40路通道的高密度路由，同时保持-5.0dB的平均单程损耗与优异的长期稳定性。损耗还是比较高的，需要做进一步优化。

未来，研究团队将通过优化激光光束传输（如多遍写入）、选用低损耗玻璃材料（如Eagle玻璃）、开发热退火工艺等方式，进一步降低波导传播损耗与微镜反射损耗；同时可通过扩展X、Y方向的加工范围，增加多芯光纤行数与光学电路层数，实现通道数量的进一步扩容。该技术的发展将有效缓解集成光学与电信行业面临的互联瓶颈，为数据中心、光计算等领域的高密度光互联提供关键支撑。