成都信息工程大学杨定宇教授团队与西南石油大学李继涛老师团队近日联合发表了关于光栅耦合器的重要综述，论文第一作者为成都信息工程大学硕士研究生钟绿怡。光栅耦合器（Grating Coupler, GC）作为实现空间与片上光交换的核心器件，直接影响光子系统的整体性能，受到学术界和产业界的广泛关注。本文从器件结构演化、设计方法革新、工作波长扩展等三个维度，全面评论了光栅耦合器的发展。文章指出光栅耦合器不再局限于传统耦合结构，开始出现功能更丰富的亚波长耦合结构；设计方法上不再局限于传统从原理到验证的正向设计过程，基于机器学习的逆向设计技术已被运用；工作波长方面也从常见的可见-红外波段扩展到太赫兹-微波段。本文从多元化的角度解读了空间与片上的光交换的发展，角度新颖，内容前沿而详实，旨在帮助研究人员全面了解这一领域。文章以" Progress in principles and methods of grating couplers for on-chip and spatial light exchange"为题发表在《Advanced Optical Materials》期刊上。
1.多维度技术创新突破性能瓶颈
材料层面：系统探究多元材料对光栅耦合器性能的影响。硅基材料依托CMOS工艺实现大规模集成，搭配二氧化硅包层可减少光泄漏；氮化硅（SiN）在1310nm和1550nm波长下光损耗系数低至0.1-0.5dB/cm；铌酸锂（LNOI）基器件相位误差容忍度提升，热稳定性增强；磷化铟凭借直接带隙特性适配光通信波段，还可与其他III-V族材料集成实现多功能。此外，聚合物材料如PMMA成本低、易加工，能优化光耦合效果。
结构层面：突破传统均匀光栅结构局限，开发多种创新结构。非均匀光栅如啁啾光栅通过调整占空比，降低耦合损耗；亚波长光栅（SWG）基于等效介质理论实现单步全蚀刻；“L型”拓扑结构借助拓扑单向导波共振（UGRs），实现超低损耗，且兼容CMOS工艺。同时，通过引入光栅齿偏移、非对称蚀刻等设计，有效抑制菲涅尔反射。
设计方法层面：逆向设计颠覆传统正向设计。结合启发式算法（Heuristic Algorithm）、生成模型（Generative models）、判别模型（Discriminative models）、梯度算法（Gradient Algorithm）等，实现“目标驱动”优化，缩小亚波长结构尺寸；针对太赫兹波段，超构表面与逆向设计结合，实现太赫兹表面等离激元（SPs）的自旋解耦波前调控，耦合效率超60%，为6G通信、太赫兹成像提供支撑。
2.跨波段应用拓展与场景适配
可见光/红外波段：优化光栅参数适配通信常用波长，1550nm波段硅基光栅添加DBR和抗反射膜后，耦合效率达81%，1dB带宽80nm，满足高速光通信需求。
太赫兹-微波波段：超构表面光栅耦合器利用C型缝隙谐振器、梯度PB超原子等结构，实现空间光与芯片表面波高效转换。如太赫兹轨道角动量（OAM）解复用器平均隔离度-11dB，支持多通道并行处理；微波频段“类等离激元金属”设计，使表面等离激元激发效率达73%，远超传统耦合器。
综述亮点
该综述构建“历史演进-技术维度-应用场景”三维框架，系统性极强。历史维度梳理光栅耦合器的发展脉络；技术维度涵盖材料、结构、设计方法、波段四大板块，每个板块均含原理、案例与性能数据，如对比不同材料光学特性与器件性能；应用场景关联光通信、量子光子学等领域，明确器件功能定位。同时聚焦亚波长光栅、逆向设计等前沿方向，分析挑战与解决路径，为研究者提供清晰技术参考，兼具理论价值与实践指导意义。
光栅耦合器已从简单低性能器件，发展为多材料兼容、多结构创新的核心光子器件，在性能与集成度上成果显著，但仍面临性能平衡、工艺兼容等挑战。展望未来，器件将向更高效率、更宽带宽、多功能集成方向发展，结合三维异质集成技术缩小体积。在量子光子学、6G通信等领域应用潜力巨大，有望推动光电子产业升级，为人类信息化提供技术支撑。
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撰稿|课题组
