光電子集成芯片的光纖熔接封裝技術(shù)介紹

逍遙設(shè)計自動化

引言
! c6 g8 t, @" l# R3 r在現(xiàn)代光通信和信息處理系統(tǒng)中，光纖與光電子集成芯片的連接是關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。硅基光電子和氮化硅光電子技術(shù)利用CMOS制造工藝實現(xiàn)了光電器件的集成。光纖和硅基光電子芯片之間的高效耦合對實現(xiàn)集成光電子系統(tǒng)的完整功能具有重要意義。

- V  F- r. I9 ~& m9 L傳統(tǒng)的光纖連接方法通常依賴體積較大的固定裝置和光學(xué)粘合劑，這在低溫應(yīng)用中會受到限制。本文介紹一種創(chuàng)新的光纖熔接技術(shù)，可實現(xiàn)穩(wěn)定且低損耗的光纖到芯片的封裝[1]。


波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與設(shè)計
7 F$ b# y0 ^: Y) u9 Q1 [1 S/ z. U首先了解熔接實驗中使用的波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)。該平臺由氮化硅（SiN）層構(gòu)成，具有專門設(shè)計的尺寸以實現(xiàn)最佳光傳輸效果。

/ a; g7 s5 p1 W圖1：用于光纖熔接測試的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，顯示平面圖和立面圖。
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實驗設(shè)置
. g9 y$ N9 I& I+ D* d" ?9 S熔接過程需要精密的對準和受控的激光加熱。系統(tǒng)使用額定功率為10瓦的二氧化碳激光器，通過機械快門的脈寬調(diào)制來控制功率輸出。

- b, d/ X2 U7 q( K( f圖2：完整的光纖芯片熔接設(shè)置示意圖。

" P' ?, z! p- Z; G圖中展示了熔接設(shè)置的組件布局，顯示輸入信號光纖如何與光波導(dǎo)芯片熔接，以及輸出光纖的監(jiān)測能力。
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工藝參數(shù)與優(yōu)化
光纖熔接的效果取決于多個關(guān)鍵參數(shù)，包括激光功率、施加力度和熔接條件。通過嚴謹?shù)膶嶒�，研究人員確定了實現(xiàn)低損耗連接的最佳條件。
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圖3：光纖熔接參數(shù)的綜合評估，包括：(a)光纖與硅芯片熔接的顯微照片，(b)耦合損耗與熔接激光功率的關(guān)系，(c)熔接前推力與耦合損耗的關(guān)系，(d)推力與熔接強度的關(guān)系。
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$ Y$ T8 c2 H( O9 t1 L性能與可靠性分析
熔接連接的長期性能和可靠性對實際應(yīng)用非常重要。波長依賴性和溫度循環(huán)效應(yīng)為這種技術(shù)的穩(wěn)定性提供了重要見解。

1 A' F8 O% g6 n圖4：性能測試結(jié)果：(a)跨波長范圍的耦合損耗，(b)溫度循環(huán)后的耦合損耗。

  x# S: j, a& u) S/ B技術(shù)優(yōu)勢與實施
0 J5 `& {, q5 H+ D9 r這種熔接技術(shù)比傳統(tǒng)方法具有多項優(yōu)勢。首先，無需在光纖-芯片接口處使用環(huán)氧樹脂，減少了粘合劑退化帶來的潛在問題。其次，工藝速度快，通常在一秒內(nèi)即可完成，而傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂方法需要幾分鐘。
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熔接參數(shù)的優(yōu)化揭示了機械強度和光學(xué)性能之間的關(guān)系。增加熔接時的力度可以提高機械穩(wěn)定性，但可能導(dǎo)致更高的光學(xué)損耗。因此，找到適當(dāng)?shù)钠胶恻c對獲得最佳效果非常重要。
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, q6 f8 o1 ]% X0 J3 y溫度性能與穩(wěn)定性
) I2 g" Y. }! H) ]* @1 k6 ?溫度循環(huán)測試證明了該技術(shù)的穩(wěn)定性，熔接樣品在193 K到293 K之間進行多次循環(huán)后，性能降低很小。這種穩(wěn)定性使該技術(shù)特別適合需要在寬溫度范圍內(nèi)運行的應(yīng)用。

關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)
9 x" e1 h* [! d9 C* u7 j* |- L光纖熔接的成功依賴于對以下參數(shù)的精確控制：
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激光功率（優(yōu)化為1.0瓦以獲得最小插入損耗）

曝光時間（通常為0.1秒）

熔接時的施加力度（優(yōu)化為0.02牛頓）

光纖和芯片表面的物理接觸
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該技術(shù)展現(xiàn)了優(yōu)異的性能指標(biāo)：
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每個端面的耦合損耗減少0.5分貝

在120納米波長范圍內(nèi)性能穩(wěn)定

溫度循環(huán)后性能降低很�。ㄎ鍌�循環(huán)后僅增加0.3分貝）
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/ w1 F5 i) \( ~2 e應(yīng)用展望
這種方法在光電子封裝技術(shù)領(lǐng)域代表了重要進展，可以創(chuàng)建穩(wěn)定的光纖到芯片連接。在保持低光學(xué)損耗的同時具有良好的溫度循環(huán)耐受性，適合苛刻環(huán)境或需要低溫運行的應(yīng)用。

* u2 z1 G3 P1 y消除光纖-芯片接口處的環(huán)氧樹脂不僅簡化了工藝，還避免了粘合劑退化或熱膨脹不匹配帶來的潛在問題。這使得該技術(shù)特別適合需要長期穩(wěn)定性和可靠性的應(yīng)用。

: _* b, q9 a, z+ G7 x6 W; T參考文獻
[1] Hutchins et al., "Fiber-to-Chip Packaging With Robust Fiber Fusion Splicing for Low-Temperature Applications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1209-1212, 1 Oct. 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3452039.
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