近日，来自南开大学与中国科学院上海微系统与信息技术研究所的联合研究团队在光学领域顶尖期刊Optics Express上发表了题为“Fiber-to-chip grating coupler on 4H-silicon-carbide-on-insulator platform with high-efficiency”的研究论文。该研究由Can Tao、Bingcheng Yang、Shuting Kang、Ailun Yi、Rui Ma、Yuchen Zhang、Fang Bo、Xin Ou以及Guoquan Zhang共同完成，并于2025年8月25日在线发表。该工作首次在4H-碳化硅绝缘体（4H-SiCOI）这一新兴光子集成平台上，设计并制备了一种高效率、低背向反射、工艺简单的光纤-芯片光栅耦合器，实现了迄今为止该平台公开报道的最高耦合效率，为碳化硅光子集成电路的实际应用扫清了一个关键障碍。

本研究隶属于集成光子学领域。光子集成电路凭借其小型化、稳定性和可扩展性优势，在经典和量子光学领域都备受关注。在众多光子集成平台中，4H-碳化硅（4H-SiC）尤其是其绝缘体上薄膜（4H-SiCOI）形式，近年来异军突起。4H-SiC拥有从紫外到中红外的宽透明窗口、高折射率、显著的二阶和三阶非线性、电光响应等优异的光学特性，并且与成熟的金属-氧化物-半导体工艺兼容。更重要的是，4H-SiC中存在的多种色心具有极长的自旋相干时间，使其成为实现混合量子-经典光子集成电路的理想平台。近年来，基于4H-SiCOI平台的孤子微梳、电光调制器、量子寄存器等功能性器件相继问世。然而，要将这些芯片上的“大脑”与外部世界连接起来，高效的光纤-芯片耦合器是不可或缺的“桥梁”。由于标准单模光纤（Standard Single-Mode Fiber, SMF）的模场直径（~10.4 µm）远大于典型芯片波导的模场尺寸，两者直接对接的耦合效率极低。边缘耦合器（edge coupler）虽然可以通过倒锥形结构实现高效率宽带耦合，但通常需要额外的端面抛光工艺，且布局灵活性受限。相比之下，基于衍射光栅的垂直耦合器（grating coupler）因其易于制造和高对准容差而成为主流方案。然而，此前在SiCOI平台上报道的光栅耦合器最高效率仍低于-5.3 dB，难以满足高性能集成器件对低损耗的要求。因此，本研究旨在针对4H-SiCOI平台，设计并制作一种高性能光纤-芯片光栅耦合器，旨在实现接近甚至超越其他成熟平台（如硅、铌酸锂）的耦合效率。

本研究的工作流程清晰，主要分为设计仿真、结构优化、器件制备与性能测试三个主要阶段。首先，研究团队确定了器件的基本架构：在由400 nm厚的Z切4H-SiC薄膜、二氧化硅（SiO₂）埋层和硅衬底组成的4H-SiCOI晶圆上，制作深刻蚀的光栅结构。为了实现高性能并兼顾工艺可行性，他们设计了一种复合结构光栅。该光栅由三个部分顺序连接：第一段（Segment 1）为三段基于亚波长光栅（Subwavelength Gratings, SWGs）的折射率渐变（apodized）区，通过改变SWG的占空比来线性调节其等效折射率；第二段（Segment 2）为占空比渐变的衍射光栅区，包含19个周期，其占空比线性减小，同时周期长度线性增加以维持统一的相位匹配条件；第三段（Segment 3）为具有固定占空比和周期的均匀光栅区，确保剩余功率被完全辐射。整个光栅和波导可以通过单次光刻和刻蚀工艺同步完成。

设计优化的核心是一个严谨的四步流程。为了最大化耦合效率（η）并最小化背向反射率（r），研究者定义了涵盖整个C波段（1535-1565 nm）的优值（Figure of Merit, FOM），即FOM = Σ[η(λj) - r(λj)] / m。第一步，假设SiO₂埋层无限厚，通过二维模型简化计算问题。他们采用粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）智能算法，对光栅第一、二段的关键参数（如初始和最终的等效折射率、周期、占空比、刻蚀深度h）以及光纤的耦合角度（θ_c）进行了系统寻优，以最大化FOM。优化过程中设定了最小特征尺寸不低于150 nm的工艺约束。经过约200次迭代，FOM收敛于0.630，获得了初步优化的参数集，计算得到的耦合效率在1550 nm波长处达到-1.54 dB。第二步，优化SiO₂埋层厚度（t_sio2）。通过建立t_sio2与光栅向上定向性（η_d，即向上辐射功率占总辐射功率的比例）的关系，发现合适的t_sio2可以显著提升整个波段的η_d。最终确定最优t_sio2为3.05 µm，将FOM提升至0.767。第三步，将二维模型扩展至三维，并优化光栅的宽度（w）。通过三维模拟发现，在w=15.50 µm时FOM达到最优（0.741），此时三维与二维模拟结果差异极小，验证了二维近似的有效性。第四步，将第一步优化得到的、填充人工材料的渐变折射率区，实际替换为具有特定占空比的SWG结构。模拟结果表明，采用SWG实现的光栅性能与使用人工材料模型的结果高度一致，证明了该实现策略的有效性。最终设计的器件在1550 nm处模拟耦合效率达到-1.02 dB，背向反射低至-30.7 dB，1-dB带宽为36 nm。

完成设计与优化后，团队进入制备与测试阶段。器件在离子切割法制备的Z切4H-SiCOI晶圆上制造，采用了电子束光刻（E-beam Lithography, EBL）和感应耦合等离子体反应离子刻蚀（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching, ICP-RIE）的单掩模工艺。所制备的器件在光学显微镜和扫描电子显微镜下呈现出清晰、均匀的结构，刻蚀侧壁接近垂直，但观察到刻蚀槽底部存在过刻蚀现象。光学性能表征采用透射法。被测器件分为两组：一组包含两个相同的光栅，通过一段820 µm长、15.5 µm宽的直波导相连；另一组在两个光栅与波导之间加入了300 µm长的线性锥形波导（taper）。测试系统包括可调谐激光器、光纤偏振控制器、标准单模光纤和光功率计。通过测量输入输出功率，并扣除波导传输损耗，最终计算出单个光栅的耦合效率。实验结果表明，不带锥形波导的器件在1549.7 nm波长处获得了峰值耦合效率η = -1.79 dB（效率66.2%），1-dB带宽为31 nm（1535-1566 nm）。通过分析透射光谱中的法布里-珀罗干涉条纹对比度，提取出的背向反射率r在1541-1564 nm光谱范围内均低于-17 dB，在1550 nm处达到-23.2 dB。带锥形波导的器件峰值效率略高（-1.60 dB，69.2%）。此外，实验还验证了耦合角度θ_c的容差，在峰值角度9°附近±2°的偏差范围内，耦合效率下降小于1 dB，背向反射率始终低于-19.7 dB，与仿真预测相符。

本研究的核心结论是，成功在4H-SiCOI平台上实现了一种高性能的光纤-芯片光栅耦合器。其主要性能指标——峰值耦合效率-1.79 dB、1-dB带宽31 nm、背向反射低于-17 dB——均显著超越了此前在该平台上的报道结果。这主要得益于其巧妙的设计：将基于亚波长光栅的折射率渐变技术与占空比渐变技术相结合，并运用智能算法进行整体优化，从而在深刻蚀结构下同时实现了高斯化的向上衍射场（提升模式匹配效率）和低背向反射。该器件的意义与价值主要体现在两个方面。在科学价值层面，它系统地探索并验证了在4H-SiCOI平台上通过非均匀光栅设计实现高效率垂直耦合的可行性与设计方法，为后续其他基于该平台的器件（如调制器、探测器、非线性器件）提供了高性能的光输入/输出解决方案。在应用价值层面，其单次光刻刻蚀的简单工艺与高性能的结合，极大地降低了4H-SiCOI光子芯片与外部光纤网络的连接门槛和损耗，有力地推动了4H-SiCOI这一在经典光学和量子信息领域均具有巨大潜力的平台，从实验室器件走向实用化、集成化的系统。

本研究的亮点突出体现在以下几个方面。首先，性能上的重大突破：实现了迄今4H-SiCOI平台公开报道的最高光纤-芯片耦合效率（-1.79 dB），将指标从低于-5.3 dB提升到接近其他成熟平台（如硅光子学）的水平。其次，设计方法的创新性：创造性地将两种互补的渐变方法（亚波长光栅实现的等效折射率渐变和占空比渐变）集成于同一深刻蚀光栅中，在确保高性能的同时，通过优化避免了过小的特征尺寸，兼顾了工艺可实现性。第三，系统性的优化流程：采用从二维简化模型到三维精确模拟、从全局结构参数到埋层厚度再到实际SWG替换的渐进式、多步骤优化策略，并引入智能算法（PSO）高效搜索参数空间，保证了设计的科学性和最优性。第四，全面的性能验证：不仅测试了耦合效率和带宽，还通过独特的方法提取了背向反射率，并实验验证了对耦合角度的容差，为实际封装应用提供了关键数据。

此外，文中还包含其他有价值的内容。例如，研究团队将该设计方法扩展到不同SiC薄膜厚度（400-550 nm）和横磁（TM）偏振的情况，展示了方法的通用性。对于TM偏振，在同样厚度下获得了-1.87 dB的耦合效率，表明该方法同样有效，尽管效率略低于横电（TE）偏振，主要受限于向上定向性稍差。这些拓展研究表明，该设计框架具有较好的鲁棒性和适用性。同时，文中对制造误差（如过刻蚀）和材料折射率波动等因素对性能的影响进行了分析，解释了模拟与实验之间存在一定偏差的原因，体现了研究的严谨性。这项工作为4H-SiCOI光子集成平台的高效光互连提供了一个关键且性能优异的解决方案，标志着该平台在走向实际应用的道路上迈出了坚实的一步。