在3D集成光子封装领域，波导—波导耦合器的性能与集成兼容性是制约光子集成电路规模化应用的核心瓶颈。近日，美国麻省理工学院（MIT）材料科学与工程系的Drew Weninger团队联合布里奇沃特州立大学Samuel Serna以及MIT材料研究实验室的Anuradha Agarwal等研究者，系统综述了边缘耦合器、光栅耦合器、自由形式耦合器等六大类芯片间波导耦合器件，以及硅、玻璃、有机衬底中的导模与自由形式光子过孔技术，为突破光子集成电路封装瓶颈、提升光互联效率提供了全面解决方案。
研究人员通过理论分析与实验数据梳理，明确了各类耦合器的技术特性与适用场景：边缘耦合器可实现小于1dB的低插入损耗与宽波长带宽，但需依赖芯片边缘高精度刻蚀；自由形式耦合器借助微镜与微透镜结构，将垂直对准容差扩展至大于35μm，兼容板级互联中较大的芯片间间隙；光学引线键合则凭借灵活性，适配低中批量场景的定制化互联需求。
该研究成果近日发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Advances in waveguide to waveguide couplers for 3D integrated photonic packaging”，美国麻省理工学院的Drew Weninger为第一作者兼通讯作者。
研究背景
光子集成电路在数据中心互联、生化传感、LiDAR等领域应用快速拓展，已实现单芯片集成10³-10⁵个器件的规模化制造，但封装、组装与测试环节成为发展瓶颈：其成本占总制造成本70%-80%，远高于电子集成电路的20%，且传统光纤-芯片键合受单模光纤125μm包层限制，光I/O密度仅8个/mm，难以适配高带宽需求。
当前波导-波导耦合技术仍存未解决问题：一是耦合器性能与组装兼容性失衡，低损耗器件对准精度要求严苛，高对准容差器件依赖串行制造；二是光子过孔技术缺乏标准化，导模过孔面临刻蚀难题，自由形式过孔带宽与稳定性不足；三是光-电封装协同缺失，未适配电子混合键合等工艺，制约3D集成应用。
创新研究
研究人员创新性的构建“耦合器-光子过孔-应用场景”量化分析框架，系统呈现了边缘、光栅、倏逝波等六大类耦合器的核心性能及权衡关系（如图1）。该框架首次明确不同耦合器的技术定位，如倏逝波耦合器可实现小于0.5dB损耗与大于100个/mm通道密度，适配高密度共封装光学；自由形式耦合器具备大于35μm垂直对准容差，适用于板级互联，为技术选型提供标准化参考。
图
针对耦合器性能瓶颈提出结构优化方案：为解决边缘耦合器纵向尺寸过大问题，开发集成渐变折射率透镜的耦合器，如图2 (f)-2 (g)，实现小于0.5dB 损耗与大于360nm带宽的同时，将横向尺寸压缩至66×11μm²；为降低光栅耦合器基板泄漏损耗，设计L型光栅与底部反射镜，见图3 (c)-3 (e)，将损耗从大于 4dB 降至0.94dB，1dB带宽拓宽至21nm；为提升倏逝波耦合器对准兼容性，研发分段与角度复合taper横向对准容差扩展至±4μm。
图
图3：芯片间光栅耦合器示例图。
研究团队创新设计“光学扇出+光子过孔”协同架构（如图4 所示）。通过芯片-中介层耦合器将光I/O密度从8个/mm提升至大于100个/mm，实现芯片跨层小于1.3dB低损耗互联，解决光子集成电路与光纤互联的密度冲突，为3D集成系统突破Pbps级带宽奠定基础。
图4：用于提升共封装光学交换机封装性能的芯片间耦合器应用示例图。
总结与展望
本文系统综述了3D集成光子封装中波导-波导耦合技术，梳理边缘、光栅等六大类耦合器及硅/玻璃/有机衬底光子过孔特性，明确倏逝波耦合器等器件优势，验证“光学扇出”架构提升光I/O密度的作用，同时指出耦合技术现存性能与组装兼容性失衡等问题。
未来需推进三方向：一是开发耦合器并行制造技术（如纳米压印光刻）；二是推动光子过孔与电子封装工艺融合；三是拓展其在集成量子光子学、LiDAR等领域的应用，助力突破成本与密度瓶颈。
论文信息
Weninger, D., Serna, S., Ranno, L. et al. Advances in waveguide to waveguide couplers for 3D integrated photonic packaging. Light Sci Appl 15, 17 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02048-w
