ECTC 2026：Fraunhofer IZM展示玻璃基板波导逆向设计及无源耦合封装方案

但离子交换玻璃光子技术的规模化落地仍面临两大核心瓶颈：其一，银-钠离子交换可实现的折射率对比度仅为10⁻³至10⁻²量级，模场限制能力弱，传统设计的MMI分光器、耦合器等功能器件尺寸达毫米至厘米级，严重制约布线灵活性与器件成本；其二，单模波导的光纤耦合需要亚微米级对准精度，传统有源耦合方案成本高、效率低，是光子封装成本的主要构成部分。2026年IEEE第76届电子元件与技术会议（ECTC）柏林工业大学、Fraunhofer IZM等联合团队发布的两项研究，分别从器件逆向设计与单片耦合封装两个维度给出系统性解决方案，完整打通了玻璃光子基板从器件优化到封装集成的技术链路。

Fraunhofer IZM的玻璃基板技术

一、离子交换波导逆向设计：突破低对比度平台的尺寸极限

1.1 传统设计的固有瓶颈与逆向设计的计算壁垒

离子交换玻璃波导通过光刻定义扩散掩模，经热激活的离子交换过程使玻璃局部折射率升高，形成渐变折射率的导波结构。其折射率分布由三维扩散过程决定，掩模几何仅定义表面边界条件，二者之间存在复杂的非线性映射关系。同时波导的折射率分布在横向与深度方向均连续变化，设计自由度远高于高对比度平台的近矩形芯层结构。

传统设计方法依赖解析模型、耦合模理论或少量几何参数的参数扫描，无法充分利用三维渐变折射率的设计空间，尤其难以在严格的尺寸约束下实现复杂的多模干涉效应与分光功能。而硅光领域成熟的Piggott式光子逆向设计方法，可通过梯度优化自动探索高维设计空间，发现满足多性能指标的非直观结构，但直接移植到离子交换平台面临严峻的计算壁垒：低对比度大尺寸器件需要高空间分辨率与大仿真域，若将高精度扩散求解与全波麦克斯韦仿真直接嵌入优化循环，单次仿真耗时可达数十小时，逆向迭代在计算上完全不可行。

1.2 基于双代理模型的全可微逆向设计框架

为解决上述难题，研究团队构建了一套兼容生产约束的逆向设计框架，核心是将两类全可微、GPU加速的代理模型直接嵌入优化循环，替代高精度物理求解器，同时内置制造约束模型保证设计可量产。

第一类为扩散代理模型，其基于扩散过程的物理规律构建，通过自研有限元扩散求解器的少量仿真数据完成标定，可快速映射掩模几何与工艺参数到三维折射率分布，天然捕捉扩散带来的图案平滑效应与深度方向折射率变化。标定完成后，该模型与高精度有限元扩散仿真的均方误差为4.033×10⁻⁸，均方根误差2.008×10⁻⁴，平均绝对误差9.603×10⁻⁵，标准差1.855×10⁻⁴，精度完全满足设计需求。

第二类为光传播代理模型，同样融入光波传播物理特性，基于商用FDTD求解器的代表性全波仿真数据集训练得到，可快速输出给定折射率分布下的光谱响应、功率分配、模场分布等核心性能参数。其与全波FDTD仿真的均方误差为3.41×10⁻³，均方根误差5.843×10⁻²，平均绝对误差2.383×10⁻²，标准差5.663×10⁻²。

计算效率层面，扩散代理模型在NVIDIA V100 GPU上单轮仿真仅需0.02秒，相比16核CPU上的有限元扩散求解器的72000秒，加速比达百万量级；光传播代理单轮仿真仅需0.04秒，相比同配置下商用FDTD求解器的86400秒，同样实现数个数量级的效率跃升，这是逆向设计可落地的核心基础。

完整的优化管线遵循标准化流程：首先对掩模进行参数化描述，内置最小线宽、最小间距、边缘平滑度等工艺规则，将设计空间约束在可制造范围内；随后灵活定义设计目标，包括输出端口分光比、工作波段、插入损耗、回波损耗、模式选择性等，所有目标与尺寸、工艺、成本约束聚合为标量品质函数；优化过程采用梯度下降算法，基于代理模型计算品质函数对数十万级设计参数的梯度，迭代更新掩模图案，数百轮迭代即可收敛得到最优设计，全程无需调用高精度物理求解器。

1.3 MMI分光器设计与仿真验证

研究团队以MMI功率分光器为验证载体，验证逆向设计框架的效果。传统离子交换MMI分光器采用简单矩形或锥形扩散区，依靠自成像效应实现分光，低对比度下需要很长的相互作用长度，且难以实现任意分光比的鲁棒设计。

在逆向设计框架下，MMI区域的掩模支持横向与纵向的空间折射率调制，在满足光刻工艺约束的前提下，通过局域折射率分布的定制化实现分光功能，最终得到的结构往往具备非直观的几何形态，是人工设计难以实现的。

最终设计的紧凑型MMI分光器经过两步独立验证：先用高精度有限元扩散仿真验证扩散代理的折射率预测精度，再用商用FDTD工具验证器件光学性能。结果显示，代理模型与全波仿真在光谱响应、功率分配、输出模场分布等方面均具备良好一致性，设计的器件可同时满足光谱指标与插入损耗要求，且器件尺寸相比传统方案大幅缩小。

1.4 面板级制造验证与工艺鲁棒性

为验证量产可行性，研究团队基于自研的D 263 T eco玻璃银-钠离子交换面板级工艺，对逆向设计的器件进行流片验证，整个流程与高吞吐量面板处理、标准后端工艺兼容。逆向设计的掩模图案无需修改即可直接转移至玻璃基板的扩散掩模层，仅需额外添加对准与工艺控制结构。

流片分为两个批次推进：第一批制备了30种不同设计、30倍冗余的共450个器件，同时测试三种不同的代理模型以筛选最优模型；筛选后基于最优模型制备第二批器件，包含35种设计、15倍冗余共525个结构，覆盖1310nm与1550nm两个波段，分光比、器件长度等参数覆盖多组取值。

光学显微镜与轮廓仪测试显示，图案转移效果良好，逆向设计的几何结构在面板尺度下具备良好的均匀性，与制造公差兼容。为评估制造缺陷对性能的影响，研究团队将实际制备的掩模图案进行图像采集与二值化，代入仿真工具重新计算器件性能，结果显示实际制造的器件与理想设计的输出功率均方根偏差约为4%，证明设计具备良好的工艺鲁棒性。目前已制备器件的光学表征工作正在推进，将用于进一步迭代优化代理模型与设计管线。

该框架具备良好的扩展性，不仅限于MMI分光器，还可应用于耦合器、交叉波导、滤波器、模式转换器等各类无源器件，以及可准静态近似折射率变化的有源结构，目前波长选择型分光器的研发正在进行中。

二、单片无源光纤耦合：SLE V槽与IOX波导的同板集成

2.1 光子封装的耦合成本痛点与技术路径选择

低损耗、低成本的单模光纤耦合始终是光子集成规模化的核心瓶颈，封装与光纤附着的成本通常占据器件总成本的主要部分，且限制生产吞吐量。边缘耦合凭借低插入损耗、弱波长相关性、平面化接口的优势，成为共封装光学与光子模块的主流耦合方案，但单模波导的边缘耦合需要亚微米级的横向与纵向定位精度，以及严格的角度对准，导致封装成本居高不下。

硅基平台常用的V型槽无源对准方案难以直接移植到玻璃基板，而选择性激光刻蚀技术可在玻璃中实现高精度三维结构，为玻璃基板单片集成对准结构提供了可能。将V型槽对准结构与离子交换波导在同一块玻璃基板上单片制备，可省去额外的对准夹具与插芯，大幅降低封装成本，提升耦合一致性。

2.2 同板共制备工艺流

所有结构均在肖特D 263 T eco碱硅酸盐玻璃上制备，该材料成本低、易获取，具备良好的热稳定性、抗紫外与抗潮湿性能，适合严苛环境下的光子封装与传感应用。研究在100mm×100mm面板上验证工艺，流程可扩展至400mm×300mm大尺寸面板。整体工艺采用先制备V型槽、后制备波导的顺序，利用SLE工艺同时制备V型槽与光刻对准标记，保证波导与V型槽的对准精度。

SLE V型槽的制备分为两步：首先用CO₂激光对玻璃面板进行外形切割，随后采用飞秒激光对预设的V型槽区域进行局域改性，飞秒激光仅用于玻璃改性，不直接写入波导；改性后的面板浸入氢氧化钾溶液，激光改性区域的刻蚀速率远高于未改性的玻璃本体，从而形成轮廓清晰的V型槽。

V型槽采用深浅分段设计：深槽段用于容纳带聚合物涂覆层的光纤，提供机械支撑并为胶黏剂预留空间；浅槽段向基板边缘延伸，用于放置剥除涂覆层的裸光纤，精准定义光纤芯层的横向与纵向位置。为降低刻蚀过程中的应力，V型槽的尖端优化为平顶结构；同时通过设计将光纤芯层位置控制在玻璃表面以下，与掩埋式离子交换波导的芯层高度匹配。SLE工艺支持V型槽在面板任意位置布置，可灵活匹配不同的光路布局与I/O接口位置。

V型槽制备完成后，进入波导制备流程：在整板溅射金属层作为扩散掩模基底，采用浸涂工艺覆盖光刻胶，保证大尺寸面板的胶层均匀性；通过激光直写光刻定义波导图案，经显影、刻蚀去除对应区域的金属层，露出玻璃表面作为离子交换窗口。

波导采用两步银离子交换工艺制备：第一步将面板浸入熔融盐浴，玻璃中的钠离子与熔盐中的银离子发生交换，使玻璃表面折射率升高；第二步在银离子浓度更低的熔盐中进行二次交换，使银离子进一步向玻璃内部扩散，掩埋折射率分布，消除表面折射率峰值，形成低损耗的掩埋式波导结构。

2.3 耦合性能测试与一致性分析

研究采用端面切割法对耦合损耗进行定量测试：首先在完整样品上，将单模光纤被动放入V型槽，施加折射率匹配液消除菲涅尔反射，测试整条波导的总插入损耗；随后用CO₂激光切除V型槽段，重新测试同一条波导的传输损耗，两次测试的差值即为V型槽带来的耦合损耗。测试在1550nm波长下进行，测试过程中对光纤施加恒定夹持力，避免折射率匹配液的毛细管效应导致光纤偏移。

测试结果显示，5条被测波导的平均总插入损耗为3.381dB，标准差仅0.019dB；计算得到的平均耦合损耗为1.756dB，对应标准差0.029dB，展现出极高的耦合一致性。该性能水平可满足绝大多数光子集成应用的需求，且全程无需主动对准，也无需额外插芯或套筒，为规模化低成本封装提供了可行路径。

后续研究将围绕四个方向推进优化：一是开发SLE制备的夹持结构，结合胶黏键合工艺，提升光纤固定的长期稳定性与可靠性；二是系统优化飞秒激光参数与V型槽几何参数，进一步提升光纤定位精度与耦合效率；三是设计倾斜端面的V型槽结构，降低耦合端面的回波损耗，优化光学性能；四是表征SLE工艺形成的垂直端面对局部折射率分布的影响，将边缘效应纳入仿真模型，提升设计精度。

三、总结与技术展望

上述两项技术分别从器件设计与封装耦合两个核心环节，突破了离子交换玻璃光子基板的现有瓶颈。逆向设计技术打破了低对比度平台器件小型化的设计壁垒，代理模型方案解决了大尺寸低对比度结构仿真效率低的行业难题，同时内置的制造约束保证了设计的量产可行性；单片集成的SLE V型槽耦合方案则破解了玻璃光子基板的封装成本痛点，实现了高精度、高一致性的无源耦合。

两项技术均基于成熟的面板级工艺开发，具备向大尺寸量产线迁移的潜力，二者结合可构建从器件设计、芯片制备到封装耦合的完整技术链，为玻璃芯基板在共封装光学、高密度光互连、光子传感等领域的规模化应用提供核心支撑。