深度科普 | 光芯片与光纤之间，如何搭起一条三维光路？

在光芯片与光纤之间建立连接，需要同时处理多个问题：两端的通道排列是否对应，间距是否匹配，光场能否有效耦合，以及光在传输和连接过程中会损失多少。

当接口从单排走向多排、连接通道不断增加时，光路的空间安排也随之变得复杂。玻璃基 3D 光波导提供了一种设计方式：在玻璃材料内部构建三维导光路径，根据两端接口的需求完成光路布置与排布转换。

围绕这一技术，深光谷将飞秒激光直写、波导截面与模场设计，以及端面处理和耦合方案结合起来，形成面向光模块、CPO/NPO 与光互连应用的解决方案。

01 | 以飞秒激光为“笔”，在玻璃内部形成光路

飞秒激光直写利用聚焦激光与玻璃材料的相互作用，在材料内部产生局部折射率变化。沿着设计轨迹移动焦点，便可形成能够引导光传播的波导。

这一加工方式使光路设计延伸至材料内部的三维空间。通过路径规划，不同通道可以在不同深度布置，并在满足光学约束的条件下完成转向和排列转换。

深光谷采用独有的一次刻写加工工艺，将设计路径转化为玻璃内部的波导结构。加工过程中，路径、截面和光学性能需要协同控制，使写入的结构满足后续传输与接口连接的要求。

对于需要定制通道排布的应用，三维设计提供了空间上的灵活性，其最终表现则需要通过损耗、模场和偏振等测试来评估。

02 | 光路定制，既要安排路径，也要匹配光场

连接两端接口，首先需要考虑空间位置。不同器件的通道间距、通道密度、排列方式和接口高度可能不同，波导路径需要根据这些条件进行设计。

与此同时，位置对齐只是连接要求的一部分。光在波导中以一定的模式传播，波导的截面、折射率分布及模场特征，也会影响与外部接口的匹配。

深光谷的激光直写方案支持圆形波导截面及尺寸控制，并可根据需求定制模场直径，为不同接口之间的光场适配提供设计空间。

截面尺寸描述波导结构的几何特征，模场直径描述光场的空间分布。两者相互关联，但不能简单等同。

针对有高阶模式传输需求的应用，方案也支持相应的波导设计。具体截面、模场与模式配置，需要结合工作波长和目标接口共同确定。

因此，一条三维光路的定制，既涉及“从哪里连接到哪里”，也涉及“以怎样的光场完成连接”。

03 | 理解低损耗，需要分别看传播、耦合与反射

光从输入端进入波导，在内部传播，再从输出端进入下一器件，沿途涉及不同的损耗机制。评估方案时，需要把这些环节分开。

传播损耗描述光沿波导传播时的衰减，通常以 dB/cm 表示。深光谷产品资料列出的直波导传播损耗为 ≤0.1 dB/cm。这一指标适用于直波导，具体三维路径还需结合长度、弯曲和结构设计评估。

端面耦合损耗描述光在接口处进入或离开波导时的损失。它与两侧模场、对准情况及端面处理等因素有关。在采用匹配方案的条件下，深光谷资料列出的端面耦合损耗为 ≤0.2 dB/端面。

回波损耗反映返回输入方向的反射光。深光谷资料给出的指标为 ≥55 dB，对应 8° 端面研磨条件。回波损耗数值越大，表示反射返回的光越少。

这些指标共同帮助判断光路的表现，各自有明确的测量对象与适用条件。实际器件的整体插入损耗，还需要在包含两端连接的完整光路上进行测量。

04 | 工作波段、偏振与稳定性，决定方案的适用范围

损耗之外，波导还需要满足具体应用对工作波长、偏振和材料稳定性的要求。

深光谷产品资料列出的工作波长范围为 380—2400 nm，覆盖可见光至近红外的多个波段。玻璃在相关波段的透光特性为波导设计提供了基础。具体器件仍需针对目标波长进行设计，并在相应工作条件下验证其光学性能。

对于偏振敏感的应用，需要分别评估偏振相关损耗和偏振保持特性。偏振相关损耗（PDL）衡量不同输入偏振状态下的损耗差异，深光谷产品资料列出的指标为 ≤0.05 dB。偏振保持关注光在传播过程中能否维持所需的偏振状态，需要结合具体器件和应用条件单独评估。

偏振保持特性也会影响封装内的光路设计。深光谷的玻璃基 3D 光波导具备偏振保持特性。在目标波长和实际连接条件下，如果波导段能够满足系统的偏振保持要求，就可以承担封装内部分原由保偏光纤承担的传输功能，从而减少保偏光纤的使用。

在封装与使用环节，还需要考虑器件尺寸、温度变化和材料对使用环境的适应性。

深光谷方案具有尺寸稳定性、热稳定性与化学稳定性，为波导结构及后续封装提供材料基础。具体环境范围和可靠性要求，应落实到相应器件的验证条件中。

以下为本方案的主要参数及适用说明：

以下指标依据深光谷产品资料列示，不代表所有型号在全部工作波段及同一测试条件下同时达到。

05 | 与 TGV 和硅光平台衔接，形成更完整的互连结构

在系统应用中，波导需要与芯片、基板及连接组件共同工作。

深光谷的玻璃基 3D 光波导方案兼容 TGV 通孔技术与硅光工艺平台，使三维光路设计能够与相关基板及光子器件的集成需求衔接。

其中，光波导用于引导和安排光路，TGV 用于构建玻璃基板中的电互连通道。将它们纳入同一封装设计，需要统筹考虑光学接口、电连接与结构布局。

对于硅光平台，波导路径与接口设计也需要结合光子集成电路（PIC）的具体条件确定。工艺平台的兼容性提供了集成基础，最终连接方式仍取决于相应芯片和封装方案。

06 | 从波导芯片到实际应用

上述设计与加工能力，可以在不同层级的光互连中发挥作用。

在光模块中，波导芯片与连接组件可用于多通道光路的排布和接口转换。深光谷的多芯-MT 组件，展示了波导芯片从独立结构走向组件及模块应用的过程。

在 CPO/NPO 中，高密度接口与多排通道布局对空间安排提出了要求。三维波导可以结合目标接口进行扇入扇出与路径设计，并与连接、对准及封装结构共同形成互连方案。

在光互连应用中，多芯光纤与不同光学接口之间，需要建立对应的通道关系。深光谷的多芯 FIFO 芯片及器件、连接组件与可插拔连接器，分别对应从光路转换到器件连接的不同需求。

从三维路径、截面与模场定制，到损耗控制、端面处理及平台衔接，玻璃基 3D 光波导的应用需要多项能力协同。

明确目标波长、通道排布、模式需求、损耗预算与封装条件，才能把一条设计中的光路，转化为满足连接要求的器件与组件。