翻譯自Lee Carroll在2016年發(fā)表的文章

摘要

晶圓廠提供的光子集成電路PIC的多項(xiàng)目晶圓（MPW）服務(wù)，使得研究人員和中小型企業(yè)（SMEs）能夠低成本完成硅光子芯片的設(shè)計(jì)和制造。盡管這些硅光芯片可以在探針臺(tái)上測(cè)試，但如果不將它們封裝起來(lái)，就無(wú)法開(kāi)發(fā)成樣機(jī)，無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室外進(jìn)行測(cè)試。PIC的光子封裝比電子封裝更具挑戰(zhàn)性，成本高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)樗枰煽康膗m級(jí)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)、精確的溫度控制，且通常需要高度的垂直和水平電學(xué)集成。光子封裝或許是開(kāi)發(fā)具有商業(yè)價(jià)值的集成光子器件過(guò)程中最顯著的瓶頸。本文闡述了如何滿(mǎn)足硅PIC封裝的光、電和熱要求，以及在實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)之前還需要做的工作。

關(guān)鍵詞：

光子封裝；硅光子學(xué)；集成光學(xué)；光電子學(xué)；光子集成電路（PICs）

1. 引言

過(guò)去十年，硅光子學(xué)被視為在電信、數(shù)通、醫(yī)療技術(shù)、安全和傳感等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)革命性進(jìn)展的平臺(tái)[1-3]。其背后的主要驅(qū)動(dòng)力是，小型化高集成度的光子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)可以利用CMOS電子學(xué)的幾十年豐富制造經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)和可擴(kuò)展性[4]。最終目標(biāo)是開(kāi)發(fā)出具有集成電路EIC類(lèi)似的低成本、高容量光子集成芯片（PICs），并充分利用硅平臺(tái)的全部潛力—即硅光子用于高速信號(hào)傳輸和感知，CMOS電子用于后續(xù)的邏輯運(yùn)算和計(jì)算[5]。

人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了系列硅光子元件，這些元件作為基礎(chǔ)“構(gòu)件”，在幾家硅晶圓廠提供的MPW服務(wù)中使用[6-8]。這些元件包括一維（1D）和二維（2D）光柵耦合器、邊耦合器、條形/脊形波導(dǎo)和交叉結(jié)構(gòu)、多模干涉（MMI）分束器、階梯光柵和陣列波導(dǎo)（AWG）復(fù)用器/解復(fù)用器、熱可調(diào)諧微環(huán)諧振器、高速鍺光電二極管、熱光移相器、電吸收調(diào)制器（EAMs）等。從理論上講，數(shù)千個(gè)這樣的光子元件，或許還有幾十個(gè)簡(jiǎn)單的硅光芯片（PIC）設(shè)計(jì)，可以布局在單個(gè)MPW“區(qū)塊”（通常為10-30mm2）上，學(xué)術(shù)研究人員和中小型企業(yè)（SMEs）通常將其用作光子設(shè)計(jì)的測(cè)試平臺(tái)。然而，開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的PIC并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中（無(wú)論是在光學(xué)平臺(tái)上還是在探針臺(tái)上）展示其功能，只是邁向?qū)嵱闷骷牡谝徊剑@些器件需要能夠吸引投資并在市場(chǎng)上產(chǎn)生關(guān)注度和價(jià)值。在將硅PIC產(chǎn)品化的過(guò)程中，相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)往往被低估，甚至在硅PIC設(shè)計(jì)階段被完全忽視，這導(dǎo)致第一代樣機(jī)的性能顯著下降，制造成本不必要地增加。

“光子封裝”技術(shù)涵蓋了多種技術(shù)和專(zhuān)業(yè)能力，這些技術(shù)和能力用于在PIC與外部建立光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、甚至化學(xué)連接[9-12]?！肮庾臃庋b“除了包括大家數(shù)值的光纖與PIC的耦合，還包括在PIC上集成激光芯片、微光學(xué)元件、電芯片和微流體器件；將高速25Gbps傳輸線通過(guò)阻抗匹配的方式從外部連接到PIC上；以及為保證PIC正常工作所需的高效熱管理—見(jiàn)圖1和圖2。

雖然滿(mǎn)足這些光子封裝要求中的任何一項(xiàng)可能都不難，但要在一個(gè)獨(dú)立可靠的器件中實(shí)現(xiàn)全部這些要求以進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樣機(jī)測(cè)試卻不容易，在更先進(jìn)的光子器件中更是如此，這些器件需要同時(shí)采用多種不同的封裝技術(shù)，例如多通道光纖與PIC耦合、垂直集成的驅(qū)動(dòng)芯片、高速連接以及TEC[12]。為確保這些器件在制造和組裝后能完全正常工作，需要在硅PIC設(shè)計(jì)階段就采用封裝設(shè)計(jì)規(guī)則（PDRs）。本文介紹光子封裝中需考慮的各種光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)因素，作為封裝設(shè)計(jì)規(guī)則的“入門(mén)指南”，同時(shí)也介紹了一些有助于光子器件產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)。

2. 光學(xué)封裝

硅作為間接帶隙半導(dǎo)體，用于激光發(fā)射的直接帶隙復(fù)合概率非常低。因此，所需的光信號(hào)必須來(lái)自外部激光源，要么間接（即從分立激光器件通過(guò)光纖耦合光），要么直接（即III-V族器件/材料與硅PIC的混合/異質(zhì)集成）。激光與PIC的間接和直接耦合有許多方式，每種方式還可以根據(jù)所采用的耦合方案進(jìn)一步細(xì)分，例如光柵耦合、邊耦合、倏逝耦合等。光纖與PIC的間接耦合常用于電信和數(shù)通應(yīng)用，因?yàn)樗试S通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，而集成光源直接耦合則用于安全和傳感應(yīng)用。

2.1. 光纖與PIC的耦合

單模光纖SMF與硅PIC上典型波導(dǎo)之間傳輸光的主要挑戰(zhàn)在于兩種材料系統(tǒng)的模場(chǎng)直徑MFD存在巨大差異。在通信波長(zhǎng)（1260-1650nm）下，光纖中的模場(chǎng)直徑約為10μm且呈圓對(duì)稱(chēng)，而PIC中的模場(chǎng)直徑通常呈橢圓形，尺寸為0.5×0.3μm[13]。因此，除了兩種波導(dǎo)的模場(chǎng)尺寸存在一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異外，如果單模光纖模式中電場(chǎng)的未知且不穩(wěn)定方向與PIC波導(dǎo)的基偏振方向（電信和數(shù)通應(yīng)用通常為T(mén)E橫電，傳感應(yīng)用通常為T(mén)M橫磁）不一致，還會(huì)帶來(lái)偏振相關(guān)損耗PDL。因此，通常需要某種形式的“偏振管理”以確保光纖與PIC耦合——要么直接在耦合器元件本身（如二維光柵耦合器[14]），要么在PIC的后續(xù)階段（如必要用于濾波和旋轉(zhuǎn)偏振的波導(dǎo)元件[15]）。如下面三個(gè)小節(jié)描述的，光纖與PIC的耦合主要有三種方法：邊耦合、光柵耦合，以及最近出現(xiàn)的倏逝耦合，每種方法都有其自身的性能優(yōu)勢(shì)和局限性，適用于特定的應(yīng)用。表1給出了這些不同耦合方法對(duì)比。

2.1.1. 邊耦合

邊耦合是激光芯片商業(yè)封裝中一種成熟的方法[16]，具有低耦合損耗（小于1dB）、寬光譜、偏振無(wú)關(guān)等優(yōu)良特性 [17]，但在硅光子學(xué)領(lǐng)域尚未被廣泛采用。硅PIC的典型邊耦合器由嵌入氮化物模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器SSC或后處理沉積的聚合物倒錐結(jié)構(gòu)（長(zhǎng)度為100-300μm）組成的SSC，以將PIC上波導(dǎo)模式的MFD增加到約3×3μm[18,19]，這與透鏡SMF-28光纖或超高數(shù)值孔徑（UHNA）光纖形成良好的模場(chǎng)重疊，見(jiàn)圖3。

由于需沉積和蝕刻3-5um SiON層來(lái)制作集成的模式適配器，很難成為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件（主要是因?yàn)镾iON層給晶圓帶來(lái)了高應(yīng)變），因此晶圓廠將難以在MPW中引入模場(chǎng)轉(zhuǎn)換。在Si-PIC上添加邊耦合器也會(huì)增加制造后的處理成本，因?yàn)樗枰獙?duì)PIC邊緣進(jìn)行精確的切割和拋光，或者需深蝕刻（>60um）光刻以創(chuàng)建一個(gè)刻面和V槽（用于使用無(wú)源對(duì)準(zhǔn)方式將光纖與PIC波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)），這種方式的主要缺陷是V槽占用了Si-PIC上較大空間。

大多數(shù)情況下，邊耦合在PIC和透鏡光纖之間進(jìn)行。光纖端面的透鏡形成3μm直徑的光“熱點(diǎn)”，使光纖模式與PIC上的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器的模場(chǎng)直徑更好地匹配。這種邊耦合器的1dB對(duì)準(zhǔn)公差通常為亞微米級(jí)（約±500nm），因此需要有源對(duì)準(zhǔn)以降低插入損耗[18,19]。鑒于此對(duì)準(zhǔn)公差與多通道光纖陣列的制造公差相當(dāng)，邊耦合幾乎總是僅用于單通道光纖與PIC的耦合。此外，通常需要將安裝在金屬套管中的透鏡光纖和PIC激光焊接到可伐合金封裝上，以確保熱脹冷縮引起的位移不會(huì)影響光纖與PIC的耦合（可伐合金是一種鐵-鎳-鈷合金，具有與光纖中的玻璃匹配的熱膨脹系數(shù)），見(jiàn)圖3。此外，這種金屬間的鍵合比環(huán)氧樹(shù)脂鍵合更不易因老化環(huán)境影響而發(fā)生微小的對(duì)準(zhǔn)漂移[16]。顯然，當(dāng)前最先進(jìn)的邊耦合的對(duì)準(zhǔn)公差和材料要求過(guò)高，難以可靠地滿(mǎn)足中高產(chǎn)量（每年10?-10?個(gè)器件）的需求。

邊耦合通常用于硅光子學(xué)中的非線性應(yīng)用，這些應(yīng)用通常需要較高的輸出光功率（約1W）來(lái)完成四波混頻和其他非線性相互作用。邊耦合器的寬帶特性意味著可以準(zhǔn)確測(cè)量泵浦、信號(hào)和空閑通道的相對(duì)強(qiáng)度（因?yàn)樗腥齻€(gè)波長(zhǎng)都經(jīng)歷相同的插入損耗），從而可以精確計(jì)算非線性轉(zhuǎn)換效率。為防止損壞模式適配器，帶有邊耦合器的非線性應(yīng)用模塊必須采用密封封裝，否則，由透鏡光纖聚焦的高光功率形成的“熱點(diǎn)”的電場(chǎng)梯度可能會(huì)產(chǎn)生光鑷效應(yīng)，將空氣中的微粒和有機(jī)污染物吸引到模式適配器的端面，如果這些污染物吸收了相當(dāng)一部分光功率，可能會(huì)由于端面的局部加熱而導(dǎo)致模式適配器的災(zāi)難性失效。這種失效在SU-8和PMMA模式適配器中更為常見(jiàn)，而在集成的SiON模式適配器中則較少見(jiàn)，因?yàn)榻殡姴牧媳染酆衔锕饪棠z更耐受熱分解。

與光柵耦合器陣列相比，邊耦合器陣列具有更低的插損和更寬帶寬，許多研究小組和公司正在研究降低邊耦合對(duì)準(zhǔn)公差的方案[21,22]，目的是放寬對(duì)準(zhǔn)公差或提高制造公差[23]，以滿(mǎn)足電信和數(shù)通應(yīng)用中的多通道邊耦合需求。當(dāng)前MPW光柵耦合器的損耗和帶寬通常被公司和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)視為光子器件商業(yè)應(yīng)用的重大障礙。

2.1.2. 光柵耦合

邊耦合最常見(jiàn)的替代方案是光柵耦合，其在PIC的波導(dǎo)層中光刻蝕刻亞微米周期結(jié)構(gòu)，以創(chuàng)建相干干涉條件，將光纖模式衍射耦合到PIC波導(dǎo)中[24,25]，見(jiàn)圖4。光柵耦合器大概102μm大小以在匹配標(biāo)準(zhǔn)電信光纖8-10μm的模場(chǎng)直徑，由約20個(gè)部分蝕刻到220nm硅層中的周期性溝槽陣列組成[12]。耦合器的峰值波長(zhǎng)λ、溝槽間距P、光柵耦合器區(qū)域的有效折射率n?、氧化層的折射率n?和光纖模式的入射角θ之間存在簡(jiǎn)單關(guān)系：λ=P(n??n?sinθ)，其中n?的值由溝槽的蝕刻深度和占空比以及光纖模式的偏振決定。通常采用近法線入射角（θ≈10°），以向耦合模式提供方向性，并減少向光纖的背反射。然而，從封裝的角度來(lái)看，近法線入射的光纖與PIC耦合可能會(huì)導(dǎo)致器件體積龐大且機(jī)械性能不佳。為解決這一問(wèn)題，已開(kāi)發(fā)出一種用于光纖與PIC耦合的“準(zhǔn)平面”方法，其中光纖端面被拋光至約40°，以創(chuàng)建全內(nèi)反射條件，將光纖模式以正確的10°角導(dǎo)向光柵耦合器[26,27]，見(jiàn)圖5。這種幾何結(jié)構(gòu)形成了幾乎“二維”的封裝，在其中更容易滿(mǎn)足電信光纖的最小彎曲半徑（≈5cm），同時(shí)保持合理的器件占位面積。

光柵耦合器比邊耦合器具有更寬松的對(duì)準(zhǔn)公差，面內(nèi)±2.5μm錯(cuò)位通常產(chǎn)生1dB的代價(jià)[13]。光柵耦合器放置位置靈活，無(wú)需放置在芯片邊緣，可以放置在PIC表面的任何位置，也不需要切割和拋光等后續(xù)工藝，使得硅PIC在封裝前就可以進(jìn)行晶圓級(jí)測(cè)試和表征。盡管有這些優(yōu)點(diǎn)，但光柵耦合的插損要高于邊耦合。好消息是，光柵耦合器設(shè)計(jì)的最新研究進(jìn)展已經(jīng)開(kāi)始縮小這一性能差距，有報(bào)道稱(chēng)在SOI平臺(tái)中，均勻和切趾光柵耦合器的插入損耗分別為1.6dB和1.2dB（測(cè)量）[28,29]。更先進(jìn)但商業(yè)化較低的光柵耦合器設(shè)計(jì)（在后工藝步驟中添加金屬背反射層）可實(shí)現(xiàn)0.6dB的插入損耗[30]，這表明先進(jìn)的光柵耦合器已與邊耦合器具有相同水平的性能，并具有寬松的對(duì)準(zhǔn)公差。

因?yàn)橥ㄐ殴獾钠裎粗也环€(wěn)定，而標(biāo)準(zhǔn)的“一維”光柵耦合器通常偏振相關(guān)，這使得它們不適合電信和數(shù)通連接。一種解決方案是二維光柵耦合器，它由兩個(gè)正交的一維光柵耦合器疊加而成，可以接收任何偏振狀態(tài)的光纖模式，并將其衍射到兩個(gè)均為T(mén)E偏振的PIC上的波導(dǎo)中[31]。最近關(guān)于硅光子學(xué)二維光柵耦合器優(yōu)化的工作預(yù)測(cè)，帶背反射器和不帶背反射器的設(shè)計(jì)的插入損耗分別為1.0dB和2.0dB，偏振相關(guān)損耗PDL低至0.3dB[32,33]。

對(duì)于許多通信領(lǐng)域應(yīng)用，通常需要將多個(gè)通道封裝到同一個(gè)PIC上，目標(biāo)甚至是128和256個(gè)通道。不必單通道對(duì)準(zhǔn)，可使用“光分流器”來(lái)同時(shí)將每個(gè)光纖與匹配的光柵耦合器對(duì)準(zhǔn)[34]。在這種方法中，需構(gòu)建一個(gè)精密光纖陣列，它使用一塊玻璃板，在玻璃板上精確蝕刻有一系列平行的V槽，間距通常為127μm或250μm，以對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電信光纖的直徑，還有一個(gè)平的玻璃“蓋子”，見(jiàn)圖6。當(dāng)光纖插入V型槽通道并蓋上蓋子后，三點(diǎn)接觸條件確保了不同通道的精確位置和間距。這些光纖陣列中光纖內(nèi)芯的標(biāo)稱(chēng)中心度為±0.5μm，這完全在光柵耦合器±2.5μm的1dB對(duì)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)。因此，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)和最后一個(gè)光柵耦合器通過(guò)分流波導(dǎo)連接時(shí)，使分流傳輸最大化的光纖陣列單次有源對(duì)準(zhǔn)也會(huì)將所有中間光纖通道相對(duì)于其光柵耦合器對(duì)準(zhǔn)（公差為±0.5μm）。一旦完成單通道或多通道光纖與PIC的對(duì)準(zhǔn)，就使用低收縮折射率匹配的紫外（UV）固化環(huán)氧樹(shù)脂將其固定。

盡管分流對(duì)準(zhǔn)有助于降低光纖與PIC封裝的單通道封裝成本，但需要采用一次有源對(duì)準(zhǔn)步驟，而實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)封裝需要采用無(wú)源對(duì)準(zhǔn)方案。最近有研究展示的“倒裝芯片”光纖與PIC對(duì)準(zhǔn)方法 [35]，它使用分束器系統(tǒng)將光纖陣列中的內(nèi)芯與PIC上的匹配光柵耦合器進(jìn)行視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)，公差為±1μm，無(wú)需有源對(duì)準(zhǔn)。由于這在光柵耦合器的1dB對(duì)準(zhǔn)公差范圍內(nèi)，這種方法仍然具有低耦合損耗，但比有源對(duì)準(zhǔn)至少快一個(gè)數(shù)量級(jí)。另一種無(wú)源對(duì)準(zhǔn)方案使用大面積30μm×30μm光柵耦合器，其提供±10μm的1dB對(duì)準(zhǔn)公差，目前也在研究中。它的主要缺點(diǎn)是光譜帶寬減小，這導(dǎo)致其不適合波分復(fù)用應(yīng)用。

2.1.3. 倏逝耦合

2015年，IBM-蘇黎世首次將一種稱(chēng)為“倏逝耦合”的新方法應(yīng)用于硅光子學(xué) [36]。與邊耦合類(lèi)似，它使用倒錐從PIC波導(dǎo)中高效提取模式。然而，該模式不是被PIC上的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換器捕獲，而是倏逝耦合到另一個(gè)光學(xué)芯片上的第二個(gè)波導(dǎo)中，該光學(xué)芯片與PIC面對(duì)面非常接近，見(jiàn)圖7。然后，光芯片上的折射率和模場(chǎng)直徑可以輕松匹配標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，從而實(shí)現(xiàn)兩步（光纖-芯片-PIC）耦合過(guò)程。目前，芯片與芯片的倏逝耦合僅在硅PIC和基于聚合物的光芯片之間得到證明，但沒(méi)有明顯的理由表明這種方法不能轉(zhuǎn)移到基于玻璃或SiON的光芯片上，以用于更可靠的光子器件。

2.2. 激光與PIC的集成

對(duì)于光子學(xué)中的許多傳感應(yīng)用，希望在硅PIC上本地生成連續(xù)波或調(diào)制光信號(hào)。由于沒(méi)有可與CMOS單片集成的激光二極管，這要么需要（i）III-V族材料與硅PIC的異質(zhì)集成；要么需要（ii）III-V族器件與硅PIC的混合集成。

異質(zhì)集成是將具有光學(xué)增益的III-V族材料鍵合到硅PIC上（直接鍵合或通過(guò)中間聚合物粘合劑層），然后蝕刻材料以創(chuàng)建激光腔條件。根據(jù)應(yīng)用的不同，腔可以通過(guò)兩個(gè)蝕刻端面、兩個(gè)布拉格反射器，或者使用微環(huán)來(lái)形成[37,38]。產(chǎn)生的激光發(fā)射隨后倏逝耦合到PIC上的波導(dǎo)中。異質(zhì)集成可以被視為一種后處理步驟，而不是光子封裝，通常用于制造半導(dǎo)體放大器（SOAs），其提供光增益以抵消硅PIC上的插損和波導(dǎo)損耗[39]，見(jiàn)圖8。這些集成的半導(dǎo)體光放大器的光增益具有強(qiáng)的熱依賴(lài)性，需要溫度穩(wěn)定以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的性能。

混合集成涉及將光從分立的III-V族激光器件耦合到硅PIC上，要么直接耦合，要么通過(guò)微光機(jī)電（μO(píng)EM）平臺(tái)。混合集成方案的集成密度往往低于異質(zhì)集成方案，但具有使用“已知優(yōu)良器件”的優(yōu)勢(shì)，具有更高的良率和更好的性能分布。兩種很有前景的混合集成方案是微光學(xué)平臺(tái)和直接VCSEL集成。

2.2.1. 微光學(xué)平臺(tái)

Luxtera和廷德?tīng)枃?guó)家研究所都展示了微光學(xué)平臺(tái)（MOB）[40,41]。這些微光學(xué)平臺(tái)由AlN或Si底座組成，其上安裝有邊發(fā)射激光芯片、用于準(zhǔn)直和聚焦的球透鏡以及用于光束轉(zhuǎn)向的反射鏡（或全內(nèi)反射元件），見(jiàn)圖9。密封的Luxtera微光學(xué)平臺(tái)還包括一個(gè)微光學(xué)隔離器，以減少對(duì)激光芯片的反饋。微光學(xué)平臺(tái)的功能是將來(lái)自邊緣發(fā)射激光的光重新成像到PIC表面的光柵耦合器上，具有所需的近法線入射角?？梢允褂肞IC上的標(biāo)準(zhǔn)一維光柵耦合器，但為更好地匹配來(lái)自微光學(xué)平臺(tái)的橢圓光斑而設(shè)計(jì)的定制光柵耦合器具有更低的插損。

在廷德?tīng)栁⒐鈱W(xué)平臺(tái)中，300μm的球透鏡在精密激光鉆孔中自對(duì)準(zhǔn)，然后為微棱鏡反射元件的對(duì)準(zhǔn)和安裝提供固定參考點(diǎn)。微光學(xué)平臺(tái)的總面積約為1×1mm，激光芯片、微透鏡和微棱鏡的單個(gè)元件的最大尺寸為300μm。組裝完成后，微光學(xué)平臺(tái)相對(duì)于硅PIC上的光柵耦合器進(jìn)行有源對(duì)準(zhǔn)，1dB對(duì)準(zhǔn)公差與光纖與PIC耦合相當(dāng)（±2.5μm）。如果沒(méi)有足夠的散熱，微光學(xué)平臺(tái)上的激光芯片可能會(huì)過(guò)熱，導(dǎo)致性能下降或燒毀。微光學(xué)平臺(tái)與PIC以及TEC之間良好的熱接觸對(duì)于微光學(xué)平臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行是必要的[42]。

2.2.2. 垂直腔面發(fā)射激光器集成

垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）的直接集成也是混合集成的一種很有前景的途徑。與微光學(xué)平臺(tái)（1×1mm）相比，VCSEL芯片（250×250μm）的占位面積顯著減小，可以實(shí)現(xiàn)非常高的集成度。已有采用平面VCSEL與PIC的集成方案，其中基于光刻膠的“楔形物”用于將VCSEL模式折射到光柵耦合器上，具有所需的近法線入射角[43]?；蛘撸梢栽O(shè)計(jì)光柵耦合器將垂直腔面發(fā)射激光器模式耦合到一對(duì)相對(duì)的波導(dǎo)中，在相位補(bǔ)償后可以將其重新組合到單個(gè)通道中[44]。還可以使用傾斜垂直腔面發(fā)射激光器方法，其中垂直腔面發(fā)射激光器通過(guò)不對(duì)稱(chēng)分布的焊球直接倒裝到PIC上[45]，見(jiàn)圖10。通過(guò)控制可用于焊料潤(rùn)濕的鍵合焊盤(pán)的接觸面積，可以?xún)?yōu)化垂直腔面發(fā)射激光器的傾斜角度。這種傾斜垂直腔面發(fā)射激光器方法允許與PIC的倒裝芯片無(wú)源對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)快速組裝。

3. 電封裝

對(duì)于電信和數(shù)通應(yīng)用，光子器件需要高速且超高帶寬地運(yùn)行。這通常需要將多個(gè)25Gbps電通道多路復(fù)用/解復(fù)用為單N×25Gbps光通道，其中N=4、6、12等。需要將這些高速電信號(hào)從厘米級(jí)SMA（超小型A版）/SMK（超小型K版）連接器高效、低反射、無(wú)偽影地路由到PIC上的微觀結(jié)構(gòu)。如果需要與PIC進(jìn)行大量電連接，或者需要在多個(gè)通道上進(jìn)行精確（亞納秒）的開(kāi)關(guān)控制，還需要EIC驅(qū)動(dòng)芯片的垂直集成。

3.1. 高速布線

高速SMA（18-25GHz）和SMK（46GHz）連接器在PCB上的面積約為1cm2，而PIC上電鍵合焊盤(pán)的間距通常為100μm。因此，高速50Ω?jìng)鬏斁€的間距必須在連接器和PIC之間減小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)需控制不同通道的路徑長(zhǎng)度以保持信號(hào)時(shí)序。這通常導(dǎo)致PIC被圓形或半圓形PCB包圍，其面積與電通道數(shù)量的平方成正比，見(jiàn)圖11。

在標(biāo)準(zhǔn)高介電（D?≈10）PCB上，最小特征尺寸將50Ω?jìng)鬏斁€的間距限制在約300μm，這比PIC上的鍵合焊盤(pán)間距大3倍。這個(gè)“差距”可以通過(guò)使用基于有限元模式（FEM）高頻結(jié)構(gòu)模擬器（HFSS）設(shè)計(jì)的縮距多層陶瓷中介層來(lái)彌合。與PCB相比，中介層提供更小的特征尺寸和更高的制造公差。中介層與PIC上的鍵合焊盤(pán)之間的電連接使用10-20μm直徑的金線鍵合實(shí)現(xiàn)。對(duì)于直流（DC）連接，使用圓形橫截面的引線鍵合，但對(duì)于高速連接，“帶狀”或“帶式”引線鍵合具有更高的單位體積表面積，由于趨膚效應(yīng)，對(duì)高速信號(hào)的電阻更低。

為減少感應(yīng)效應(yīng)，所有引線鍵合應(yīng)盡可能短且直。這通常意味著PIC應(yīng)嵌入到PCB中，以實(shí)現(xiàn)“齊平”引線鍵合。一旦連接到PIC，引線鍵合對(duì)任何剪切力都非常敏感，因此PIC、中介層和PCB必須在機(jī)械封裝中剛性連接。引線鍵合的“滴膠”封裝（使用硅樹(shù)脂或環(huán)氧樹(shù)脂）可以提供進(jìn)一步的保護(hù)，但只能用于不會(huì)干擾光纖與PIC耦合或其他集成元件的封裝中。

一旦傳輸?shù)絇IC，高速信號(hào)必須從鍵合焊盤(pán)路由到/來(lái)自相關(guān)的PIC上元件。盡管PCB和中介層上可以采用不同的橫截面幾何結(jié)構(gòu)（微帶、帶狀線和共面?zhèn)鬏斁€），但硅晶圓廠的設(shè)計(jì)規(guī)則通常將高速傳輸線限制為共面幾何結(jié)構(gòu)。為避免顯著的損耗和反射，必須使用HFSS在硅晶圓廠可用的特定材料和層厚度的邊界條件內(nèi)優(yōu)化這些PIC上的傳輸線[6-8]。

3.2. 垂直集成

將光子和電子功能單片集成到單個(gè)芯片上通常是大規(guī)模硅光子學(xué)的最終目標(biāo)[4]。然而，在中低產(chǎn)量（每年10?-10?個(gè)芯片）下，將電子和光子功能垂直集成到兩個(gè)單獨(dú)的硅芯片上可以帶來(lái)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榭梢圆捎貌煌腃MOS制程。具體而言，PIC的制造公差可以使用功能45nm制程在相對(duì)低成本的200mm晶圓上完成，而高性?xún)r(jià)比的EIC可能需要300mm晶圓上的14nm制程上進(jìn)行。PIC的面積（10-30mm2）通常比典型的EIC大得多，因?yàn)橛写笮凸庾釉ˋWGs、延遲線等）以及為光纖與PIC耦合預(yù)留的空間，因此不在更昂貴的CMOS制程上“浪費(fèi)”這部分空間可以顯著降低總體成本。

EIC與PIC的垂直集成可以使用焊球凸點(diǎn)（SBBs）或銅柱凸點(diǎn)（CPBs）互連實(shí)現(xiàn)，這些互連提供兩個(gè)芯片之間的電機(jī)熱接口[46,47]。特別是，垂直集成改善了與PIC的高速電子接口，它使用短的（≈10μm）凸點(diǎn)互連取代了長(zhǎng)的（100-500μm）可能彎曲的引線鍵合，從而最大限度地減少了寄生感應(yīng)效應(yīng)[48-50]，見(jiàn)圖12。除了高速、高密度電子集成外，焊球凸點(diǎn)和銅柱凸點(diǎn)提供的機(jī)械連接還允許橋接不同的功能技術(shù)，如MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）、III-V族、非CMOS ASIC（專(zhuān)用集成電路）等[3]。

銅柱凸點(diǎn)的直徑通常為20-30μm，通過(guò)在PIC和EIC上的凸點(diǎn)下金屬焊盤(pán)上電鍍銅，然后沉積（無(wú)鉛）Sn-Ag-Cu焊料帽形成。通過(guò)使用倒裝芯片系統(tǒng)的分束器相機(jī)對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)芯片上的匹配銅柱凸點(diǎn)對(duì)；使兩個(gè)芯片接觸；然后應(yīng)用熱壓焊或回流焊將成對(duì)的焊料帽融合在一起，實(shí)現(xiàn)PIC和EIC的垂直集成。這些焊料帽將被原生氧化層覆蓋，必須去除以確保形成良好的電和機(jī)械互連[51]。電封裝中使用的傳統(tǒng)焊料通常不適用于光子封裝，因?yàn)樗鼈儠?huì)留下化學(xué)殘留物，污染光纖與PIC耦合的光學(xué)界面，這會(huì)導(dǎo)致插損增加，還會(huì)削弱光纖與PIC鍵合的機(jī)械強(qiáng)度。相反，在回流焊過(guò)程中應(yīng)使用“免清洗”助焊劑。這種助焊劑不含揮發(fā)性有機(jī)化合物VOC，在焊料的熔點(diǎn)下活化并蒸發(fā)[52]，因此不需要可能污染PIC的鍵合后溶劑沖洗[53,54]。

在倒裝芯片系統(tǒng)中對(duì)準(zhǔn)EIC和PIC，并應(yīng)用“免清洗”助焊劑焊接回流周期（通常為250°C，30s）后，可以在頂部和底部銅柱凸點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)出色的鍵合?？梢允褂枚喾N診斷方法——電阻測(cè)量、破壞性剝離測(cè)試和X射線顯微鏡——來(lái)評(píng)估銅柱凸點(diǎn)互連的質(zhì)量?？梢詫?shí)現(xiàn)優(yōu)于±1μm的對(duì)準(zhǔn)，并幾乎沒(méi)有“焊料擠出”（這可能導(dǎo)致相鄰互連之間的電短路），見(jiàn)圖13。

4. PIC的熱管理

光子元件，如半導(dǎo)體光放大器（SOAs）和微環(huán)諧振器，具有強(qiáng)烈的溫度依賴(lài)性。20°C的溫度變化通常足以使PIC偏離其工作范圍[55,56]。光子器件中PIC的全局熱穩(wěn)定（通常使用TEC）對(duì)于需要在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的樣機(jī)至關(guān)重要，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)的季節(jié)性溫度波動(dòng)通常為±10°C。TEC提供的額外全局穩(wěn)定性有助于更高效且更可重復(fù)地對(duì)PIC上的單個(gè)光子元件（如微環(huán)諧振器、熱光移相器等）進(jìn)行局部溫度調(diào)諧。提高這些模塊中TEC的性能系數(shù)（CoP）是降低已部署光子學(xué)運(yùn)營(yíng)成本的重要考慮因素。

圖14展示了帶有PIC和EIC的模塊的典型熱力圖。電功率輸送到EIC，通過(guò)焦耳加熱轉(zhuǎn)化為熱功率（H=dQ/dt），然后通過(guò)焊球凸點(diǎn)或銅柱凸點(diǎn)互連層流入PIC。從那里，熱量傳導(dǎo)到散熱板，并繼續(xù)傳導(dǎo)到TEC的“冷端”，再傳導(dǎo)導(dǎo)模塊的底板，最后通過(guò)被動(dòng)對(duì)流/傳導(dǎo)或“機(jī)架式”強(qiáng)制對(duì)流冷卻將熱量散發(fā)到周?chē)h(huán)境中。

未受控制的焦耳熱的影響可以通過(guò)在TEC斷電時(shí)給EIC通電來(lái)說(shuō)明，如圖15所示。在為歐盟FP7“FABULOUS”項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的硅光子光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）中，我們向EIC施加1.1W的功率，導(dǎo)致EIC和PIC的溫度分別升高34°C和20°C[57]。我們使用熱顯微鏡進(jìn)行測(cè)量，該顯微鏡允許對(duì)PIC（100μm尺度）和整個(gè)光子模塊（10cm尺度）進(jìn)行精確的非接觸溫度測(cè)量。這些動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量提供了關(guān)于熱堆疊的熱傳導(dǎo)和熱容量的定量信息。大致而言，這些動(dòng)態(tài)測(cè)量中的“拐點(diǎn)”對(duì)應(yīng)于熱量“填充”堆疊中不同材料塊所需的時(shí)間。EIC和PIC之間的穩(wěn)態(tài)溫差（ΔT=13.8°C）還可以對(duì)銅柱凸點(diǎn)互連層熱阻（R?）進(jìn)行直接測(cè)量，即R?=ΔT/H。整個(gè)銅柱凸點(diǎn)層的熱阻為12.5K/W=13.2°C/1.1W，而互連層由484個(gè)銅柱凸點(diǎn)組成，進(jìn)而得到每個(gè)互連的電阻為6.1×103K/W。通過(guò)熱顯微鏡測(cè)量的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)信息可用于驗(yàn)證當(dāng)前的熱模型，并優(yōu)化未來(lái)的設(shè)計(jì)。

一旦TEC開(kāi)啟，PIC迅速穩(wěn)定到外部PID控制器設(shè)置的溫度（T??）。在靠近PIC的熱源附近放置一個(gè)微珠或SMT熱敏電阻，以向PID控制器提供熱監(jiān)控反饋。對(duì)于來(lái)自“FABULOUS”項(xiàng)目的光網(wǎng)絡(luò)單元，PIC在30s內(nèi)穩(wěn)定到T??±0.1°C，在60s內(nèi)穩(wěn)定到T??±0.01°C。在這種穩(wěn)態(tài)下，當(dāng)向EIC施加1.1W的電功率時(shí)，TEC需要消耗0.5W才能使PIC恢復(fù)到18°C的室溫設(shè)定點(diǎn)，性能系數(shù)為2.2=1.1W/0.5W，并表明熱管理占模塊運(yùn)行功率預(yù)算的30%= 0.5W/(0.5+1.1W)。通過(guò)改善模塊內(nèi)熱量的分布和消散來(lái)提高PIC熱電冷卻的性能系數(shù)是一個(gè)活躍的研究課題。COMSOL中的有限元模擬可用于測(cè)試和優(yōu)化新的堆疊設(shè)計(jì)，然后使用來(lái)自熱顯微鏡的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，見(jiàn)圖16。

5. 光子封裝的新興技術(shù)

除了前幾節(jié)描述的成熟技術(shù)外，已出現(xiàn)很多新興技術(shù)，可能在將來(lái)會(huì)對(duì)光子封裝技術(shù)產(chǎn)生重要的影響。

倏逝耦合的相同聚合物波導(dǎo)技術(shù)可以與電FR4（阻燃4級(jí)）PCB結(jié)合，創(chuàng)建一個(gè)能夠?qū)㈦娦盘?hào)和光信號(hào)從外部連接器路由到單個(gè)或多個(gè)硅PIC的平臺(tái)[36]。與玻璃中介層相比，其主要優(yōu)勢(shì)是聚合物波導(dǎo)的成本優(yōu)勢(shì)和加工靈活性（即直接激光寫(xiě)入或光刻），特別是對(duì)于大面積情況，這些“光PCB”的預(yù)期傳播距離在幾十厘米范圍內(nèi)，因此需要克服的主要挑戰(zhàn)是將波導(dǎo)傳播損耗降低到0.1dB/cm以下。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的光子引線鍵合（PWBs）為PIC與PIC[58]和多芯光纖與PIC[59]的光學(xué)連接提供了一種新的解決方案。這些PWB通過(guò)密集的聚焦的飛秒激光脈沖沿著連接兩個(gè)光學(xué)界面（例如硅PIC上的倒錐與單模光纖的內(nèi)芯）的自由3D路徑曝光光刻膠。光子線鍵合的形狀可以輕松調(diào)整，因此不需要在連接的PIC和光纖之間進(jìn)行高精度機(jī)械對(duì)準(zhǔn)，這對(duì)于未來(lái)的規(guī)模化是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。目前，寫(xiě)入PWB還是串行方式，未來(lái)能否在晶圓級(jí)低成本的實(shí)施（每個(gè)晶圓需要數(shù)千或數(shù)萬(wàn)個(gè)光子線鍵合）還有待觀察。

在光柵耦合器設(shè)計(jì)方面也有許多創(chuàng)新，包括用亞波長(zhǎng)光刻特征取代單線溝槽，這可以采用高水平的折射率工程。在某些情況下，這些亞波長(zhǎng)特征被設(shè)計(jì)為切趾結(jié)構(gòu)，幾乎完美地匹配入射光纖模式的輪廓[60]，具有非常低（<1dB）的插損。另一種策略是使用亞波長(zhǎng)光刻特征在SOI（絕緣體上硅）層中創(chuàng)建具有高度非線性圖案的區(qū)域，形成一塊超材料[61]。當(dāng)這種超材料中的圖案經(jīng)過(guò)適當(dāng)優(yōu)化后，它可以將光從自由空間耦合到SOI波導(dǎo)中，甚至可以耦合不同偏振的光，類(lèi)似二維光柵耦合器。這些超材料耦合器的效率至少與更標(biāo)準(zhǔn)的光柵耦合器相當(dāng)，并且可以提供更寬的帶寬，因?yàn)槎鄠€(gè)導(dǎo)模負(fù)責(zé)耦合，這使得超材料耦合器對(duì)波長(zhǎng)偏移不太敏感。這兩種亞波長(zhǎng)耦合器方案的主要缺點(diǎn)是，它們通常只能通過(guò)電子束光刻制造，因?yàn)樗鼈冃枰s100nm量級(jí)的特征尺寸，而硅光子晶圓廠通常使用的193nm深紫外光刻難以加工這些尺寸。在這些亞波長(zhǎng)耦合器能夠使用到可擴(kuò)展的紫外光刻工藝之前，它們很難成為商用光子器件的標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件。

除了光纖與PIC的耦合外，光柵耦合器還可用于光學(xué)接近耦合或?qū)娱g耦合[62-64]，這允許高效的垂直芯片與芯片甚至板與芯片連接（結(jié)合上述光學(xué)PCB）。結(jié)合用于水平分布的低損耗波導(dǎo)，這種垂直芯片與芯片的光學(xué)連接使光能夠在光學(xué)母板上進(jìn)行3D集成路由到多個(gè)硅PIC。盡管光纖與PIC光柵耦合器的帶寬通常相當(dāng)窄（通常1dB帶寬為30-40nm），但在光接近中，因?yàn)楣鈻胖g的近場(chǎng)相互作用，同樣的光柵將提供寬帶耦合。同樣的原因，兩個(gè)相鄰光柵耦合器之間的插損不僅僅是兩個(gè)等效光纖與PIC界面的總和，它可以低得多，與單個(gè)光纖與PIC的量級(jí)相同。這些光學(xué)接近耦合器有望對(duì)晶圓級(jí)封裝產(chǎn)生重大影響，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S不同光子系統(tǒng)的倒裝芯片對(duì)準(zhǔn)和/或晶圓鍵合，以用于先進(jìn)的混合光子器件。

6. 光子封裝趨勢(shì)討論

光子封裝的高成本和低速度是開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的光子器件最顯著的瓶頸。隨著衍生公司努力將器件推向市場(chǎng)，以及大型跨國(guó)公司進(jìn)入硅光子學(xué)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)自動(dòng)化封裝工藝以實(shí)現(xiàn)更高產(chǎn)量的生產(chǎn)需求日益增長(zhǎng)。明顯的趨勢(shì)是更緊湊的光子設(shè)計(jì)，更低的插入損耗、更高的集成度（電學(xué)和MEMS）、可擴(kuò)展到多個(gè)25Gbps通道，以及高效（理想情況下被動(dòng)）的熱穩(wěn)定性。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，光子封裝研究人員正從傳統(tǒng)的個(gè)性化定制樣機(jī)轉(zhuǎn)向開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)展的解決方案。雖然光纖與PIC無(wú)源對(duì)準(zhǔn)、更精確的倒裝芯片垂直集成和更好的熱堆疊設(shè)計(jì)等技術(shù)創(chuàng)新都發(fā)揮著重要作用，但“軟”發(fā)展（如封裝標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布和采用，以及材料和組件供應(yīng)鏈的增長(zhǎng)和整合）同樣重要。

在硅光子學(xué)界，為光子封裝創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)的需求正逐漸得到認(rèn)可。這種轉(zhuǎn)變的驅(qū)動(dòng)力是減輕研究人員/工程師的特定應(yīng)用設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，并簡(jiǎn)化從設(shè)計(jì)到器件的流程。光子封裝小組現(xiàn)在正與行業(yè)合作伙伴合作，建立封裝設(shè)計(jì)套件（PDKs）和規(guī)則（PDRs），以支持非專(zhuān)業(yè)用戶(hù)開(kāi)發(fā)與最佳實(shí)踐光子封裝兼容的硅PIC。這有助于新用戶(hù)避免問(wèn)題，并避免昂貴且耗時(shí)的PIC重新設(shè)計(jì)。新用戶(hù)經(jīng)常忽視的重要封裝設(shè)計(jì)規(guī)則包括：(i) 硅PIC上光柵耦合器陣列的間距（應(yīng)與光纖通道的尺寸匹配，即127μm或250μm）；(ii) 電鍵合焊盤(pán)的最小間距對(duì)于直流連接應(yīng)>100μm（以最大化引線鍵合的良率），對(duì)于射頻連接應(yīng)>300μm（以消除對(duì)昂貴的陶瓷縮距中介層的需求）；以及(iii) 光柵耦合器陣列周?chē)枰粋€(gè)“禁區(qū)”，其中不放置任何電連接或相位敏感組件，以防環(huán)氧樹(shù)脂溢出。盡管目前處于發(fā)展的早期階段，但預(yù)計(jì)這些封裝設(shè)計(jì)規(guī)則將隨著時(shí)間的推移得到擴(kuò)展和正式化，并納入硅晶圓廠的設(shè)計(jì)規(guī)則檢查（DRC）中。簡(jiǎn)單的光子封裝設(shè)計(jì)套件已經(jīng)在PhoeniX BV（OptoDesigner）和Luceda（IPKISS）的PIC設(shè)計(jì)工具中在軟件層面實(shí)現(xiàn)[65,66]。

7. 結(jié)論

光子封裝是實(shí)現(xiàn)用于小規(guī)模樣機(jī)制作和商業(yè)量產(chǎn)的高集成度硅光子器件的關(guān)鍵步驟。光子器件的封裝通常是整個(gè)模塊制造中最昂貴的部分，并且可能需要在PIC設(shè)計(jì)階段關(guān)注。同時(shí)滿(mǎn)足PIC的光學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)設(shè)計(jì)考慮因素需要一種“綜合”方法，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出最廣為人知的光纖與PIC耦合問(wèn)題。封裝研究人員越來(lái)越多地使用先進(jìn)的設(shè)計(jì)工具和不斷發(fā)展的封裝設(shè)備來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。隨著光子器件和技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室并進(jìn)入市場(chǎng)，光子封裝也在不斷成熟以跟上步伐，其重點(diǎn)正從測(cè)試和樣機(jī)制作轉(zhuǎn)向標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)展的商業(yè)實(shí)施。

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審核編輯 黃宇