隨著光子學(xué)技術(shù)在行業(yè)中尋求其利基市場(chǎng)，需要克服的一個(gè)障礙是可擴(kuò)展的制造工藝。一種稱為光子引線鍵合（PWB）的技術(shù)希望推動(dòng)光子學(xué)向前發(fā)展。

在過(guò)去的幾年中，研究人員在光子封裝和集成方面取得了巨大進(jìn)展。

該技術(shù)的進(jìn)步導(dǎo)致了高度集成的光子集成電路（PIC）的制造，同時(shí)采用了可擴(kuò)展的微米和納米制造技術(shù)，旨在解決與光子芯片間連接相關(guān)的挑戰(zhàn)。

硅 PIC 的插圖。圖片由Carroll 等人提供

在提供高帶寬、低功耗和小外形尺寸的同時(shí)，PIC 可在廣泛的領(lǐng)域中找到應(yīng)用，包括電信、數(shù)據(jù)中心、RF 系統(tǒng)等。

盡管推動(dòng)創(chuàng)造更多的光子技術(shù)，但這項(xiàng)技術(shù)面臨著一些挑戰(zhàn)，尤其是在制造方面。

考慮到這一點(diǎn)，本文將討論一個(gè)主要挑戰(zhàn)，即光子引線鍵合，以及它如何在 PIC 開(kāi)發(fā)中發(fā)揮作用。

克服光子引線鍵合的限制

傳統(tǒng)的光子器件通常通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖連接。不幸的是，這種用于連接的技術(shù)可能會(huì)在強(qiáng)引導(dǎo)片上波導(dǎo)和光纖的光學(xué)模式之間產(chǎn)生不匹配。

更重要的是，可實(shí)現(xiàn)的最小互連密度由光纖的橫截面決定，它可能相對(duì)大于片上組件的幾何尺寸。

為了克服光子互連中的這些限制，卡爾斯魯厄理工學(xué)院 (KIT) 的研究人員開(kāi)發(fā)了一種 PWB 技術(shù)，該技術(shù)提供了連接和集成光子器件的潛力，以實(shí)現(xiàn)靈活和高性能的多芯片系統(tǒng)。

總體而言，該技術(shù)聲稱是光學(xué)模塊工業(yè)生產(chǎn)的不錯(cuò)選擇。

過(guò)去，研究人員使用光子引線鍵合技術(shù)制造了一個(gè)400 Gbit/s 的硅光子發(fā)射器模塊，該模塊包括一個(gè)由八個(gè)激光源組成的陣列，這些激光源為八個(gè)硅光子馬赫 - 曾德調(diào)制器 (MZM) 陣列供電。

這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展有助于刺激光子學(xué)研究和設(shè)備創(chuàng)造。希望利用這種 PWB 技術(shù)，合作旨在更大規(guī)模地集成它。

協(xié)作為可擴(kuò)展圖片打開(kāi)了更多大門(mén)

PWB 技術(shù)通常針對(duì)最先進(jìn)的光子子組件中對(duì)低損耗光學(xué)互連不斷增長(zhǎng)的需求。

Freedom Photonics希望利用 PWB 技術(shù)促進(jìn)下一代高度集成的光子器件的制造，正在利用 Vanguard Automation 的 SONATA 和 REPRISE 1000 系統(tǒng)。

這兩款設(shè)備使用 3D 納米打印技術(shù)在兩個(gè)組件 (PWB) 或刻面附加微透鏡 (FAML) 之間制造波導(dǎo)光學(xué)互連，以使用 2 光子光刻工藝耦合光。

雖然 SONATA 是執(zhí)行 PWB 和 FAML 的結(jié)構(gòu)操作的光刻單元，但 REPRISE 負(fù)責(zé)所有預(yù)處理和后處理步驟，包括分配、去除未曝光的樹(shù)脂、清潔和粘合封裝。

光子引線鍵合是如何制成的？

制造商按照分步流程制造光子引線鍵合。此外，制造過(guò)程采用基于多光子誘導(dǎo)聚合的三維直接激光寫(xiě)入（3D DLW）。

光子材料首先安裝在平面顯微鏡蓋玻片或金屬底座上。該底座執(zhí)行機(jī)械接地板、散熱器和電接觸功能。

然后，使用聚合物粘合劑、導(dǎo)電粘合劑或焊接技術(shù)將裸片放置在子底座上。

光子引線鍵合工藝的典型示例。圖片由Lindenmann 等人提供

此外，通過(guò)用超凈丙酮和異丙醇連續(xù)沖洗來(lái)清潔子底座和光子組件，以去除有機(jī)殘留物和松散的無(wú)機(jī)顆粒。

樣品制備后，將光學(xué)模塊和抗蝕劑材料插入 3D 直接激光寫(xiě)入光刻系統(tǒng)。此外，光刻膠材料沉積在饋電波導(dǎo)的互連區(qū)域之間。

用于模式識(shí)別的相機(jī)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的組合用于獲得光學(xué)饋電波導(dǎo)的視覺(jué)印象。同時(shí)，PWB 的形狀適應(yīng)集成波導(dǎo)刻面的實(shí)際位置。

基于波導(dǎo)出口的測(cè)量坐標(biāo)，計(jì)算出新興光子線鍵合的結(jié)構(gòu)。然而，計(jì)算的結(jié)構(gòu)被轉(zhuǎn)移到由光刻系統(tǒng)連續(xù)尋址的單個(gè)點(diǎn)組成的單個(gè)寫(xiě)入行中，以生成機(jī)器可讀的數(shù)據(jù)集。

最后，在顯影浴中去除未聚合的抗蝕劑材料。在制造過(guò)程中，不需要高精度的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)椴▽?dǎo)幾何形狀適應(yīng)光子子系統(tǒng)的相對(duì)位置。

光子引線鍵合制造的下一步

卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)的光子引線鍵合技術(shù)專注于芯片到芯片的光子連接。進(jìn)一步的進(jìn)步是在片上波導(dǎo)和單模光纖之間加入 PWB 接口。

此外，對(duì)可以通過(guò)雙光子聚合結(jié)構(gòu)化的不同抗蝕劑材料的評(píng)估也很重要。

光子引線鍵合互連的特寫(xiě)視圖。光子引線鍵合工藝的典型示例。圖片由Lindenmann 等人提供

總而言之，光子引線鍵合技術(shù)熱衷于提供具有高封裝密度和增加光子集成電路設(shè)計(jì)靈活性的光子系統(tǒng)。

審核編輯 黃昊宇