2026年3月10日，由德国海德堡大学（一所光子学和纳米技术研究型大学）的埃里克·荣格（ErikJung）领导的研究团队，与包括明斯特大学（一所在纳米光子学和材料科学领域享有盛誉的公立研究型大学）的沃尔夫拉姆·佩尔尼切（Wolfram
Pernice）在内的合作者共同展示了一种用于光子集成电路（PIC）的即插即用光纤接口，总耦合损耗仅为0.78分贝。
相关研究以题为“Ultra-Broadband plug-and-playphotonic circuit packaging with sub-dB loss”的论文发表在《科学》杂志上。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1883
研究成果描述了一种被动式光封装方法，利用双光子聚合3D打印技术直接在芯片表面实现光纤与光子电路的对准。光子集成电路通过纳米级波导引导光进行信息处理，从而在传感、光通信、量子技术和神经形态计算等应用中实现高数据吞吐量和低延迟。高效的光封装仍然是一项重大的工程挑战，因为光纤和片上波导具有不同的模场直径。光纤到芯片的接口必须在保持宽带传输的同时，最大限度地减少光损耗。
研究介绍了一种基于3D打印对准销和聚合物耦合器的可拆卸接口，这些对准销和耦合器均制造在氮化硅（Si₄）光子平台上。母头多纤端接推入式（MTP）电缆连接到这些打印结构，从而实现光纤阵列和光子芯片之间的被动对准。作者将这种可拆卸架构描述为类似于光子集成电路的USB插头，无需主动对准即可实现可重复连接。
△即插即用概念。图片来自《科学》。
光耦合是通过基于全内反射 (TIR)
的聚合物面外耦合器实现的。这些结构将光纤中的光垂直重定向到片上波导中。耦合器包括一个锥形模式传输段，用于将光功率从氮化硅波导传输到聚合物波导；之后依次是模式场展宽区、TIR
反射面以及用于将光束与光纤模式匹配的椭球聚焦透镜。采用有限元频域仿真来优化耦合器的几何形状。
测量结果显示，每个耦合器的峰值传输率为-0.41
dB，对应的光传输效率约为91%。宽带耦合性能在1500至1600纳米的波长范围内保持稳定，涵盖了光通信系统常用的S波段、C波段和L波段。在此光谱范围内，记录到的最小传输率为-0.55
dB，标称相同的耦合器之间的标准偏差为0.05 dB。
耦合器件的制造依赖于双光子聚合（TPP）技术，这是一种纳米级增材制造方法，能够直接在半导体衬底上生成复杂的光学结构。耦合器采用高分辨率物镜进行灰度TPP加工，而被动对准结构则在第二步TPP加工中，使用能够打印毫米级结构的低倍率透镜进行写入。每个耦合器的制造时间不到一分钟，而对准结构的写入时间约为25分钟。
△耦合器优化。图片来自《科学》杂志。
实验测试评估了可重复性和对准容差。对多个器件进行的传输测量表明耦合性能一致。光纤阵列和耦合器之间的有意偏移产生了约 4 微米的 -1 dB 对准容差，而±1.5 微米以内的未对准引入的额外损耗小于 0.3 dB。
研究人员使用专为矩阵矢量乘法 (MVM) 运算设计的 16 × 1
光子矩阵演示了封装系统。集成在光子波导上的相变材料锗锑碲 (GST) 可作为光网络中的可编程权重。一条 12 × 2 MTP
光缆与芯片连接，通过打印耦合结构寻址一个 17 端口光子电路。对所有端口的测量结果显示，平均最小耦合传输为 -0.78
dB，证实了这种器件性能的一致性。
研究人员使用覆盖100纳米光谱的超辐射发光二极管（SLED）测试了宽带光兼容性。他们以17.6吉波特的速率调制宽带信号，并在信号经过两个耦合器传输后测量完整性。宽带运行支持基于波分复用或混沌光源的光子计算架构，用于概率计算。
△即插即用解决方案：实现方式和公差。图片来自《科学》。
以往基于光栅耦合器的无源面外封装技术，总耦合损耗通常在 1.7 至 5.7 dB 之间，具体数值取决于制造工艺的复杂程度和对准条件。本文报道的接口实现了0.78 dB 的总损耗，其中包括 0.37 ± 0.11 dB 的封装损耗，同时保持了宽带光学性能。
研究人员报告称，这种耦合方法可以应用于其他光子平台，包括绝缘体上硅（SOI）、铌酸锂和五氧化二钽，这些平台仅需对波导过渡区进行修改。直接印刷在芯片表面的对准结构也省去了组装过程中将光子芯片相对于印刷电路板进行精确定位的需要。
研究结果展示了一种用于纳米级3D打印光子集成电路的可拆卸光学接口。低光损耗、宽带耦合和可重复的被动对准特性，为更大规模的光子计算和通信系统的发展提供了支持。
△16×1光子矩阵的多端口接口。图片来自《科学》杂志。
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