光電子集成芯片的光纖熔接封裝技術介紹

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引言
在現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鍵技術挑戰(zhàn)。硅基光電子和氮化硅光電子技術利用CMOS制造工藝實現了光電器件的集成。光纖和硅基光電子芯片之間的高效耦合對實現集成光電子系統(tǒng)的完整功能具有重要意義。

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粘合劑，這在低溫應用中會受到限制。本文介紹一種創(chuàng)新的光纖熔接技術，可實現穩(wěn)定且低損耗的光纖到芯片的封裝[1]。
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, N# t% D6 E) x/ m  ]! G波導結構與設計
5 x9 n- I1 j. M) p) y; C首先了解熔接實驗中使用的波導基本結構。該平臺由氮化硅（SiN）層構成，具有專門設計的尺寸以實現最佳光傳輸效果。
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( E- I- ~) g5 R5 Z. t) U圖1：用于光纖熔接測試的波導結構示意圖，顯示平面圖和立面圖。

; h, {1 o% }+ b; D實驗設置
3 C$ ]7 P1 w" _6 F' S* y" \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制來控制功率輸出。

" A, y* D. R2 _( G; u( X1 W圖2：完整的光纖芯片熔接設置示意圖。
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1 M! f( C- v3 u& P8 q圖中展示了熔接設置的組件布局，顯示輸入信號光纖如何與光波導芯片熔接，以及輸出光纖的監(jiān)測能力。
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2 E4 M6 }' X$ N+ ?7 o4 Q工藝參數與優(yōu)化
4 _9 q5 a( q+ q1 w  r! W% a% T光纖熔接的效果取決于多個關鍵參數，包括激光功率、施加力度和熔接條件。通過嚴謹的實驗，研究人員確定了實現低損耗連接的最佳條件。
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# @: R. S; y( O圖3：光纖熔接參數的綜合評估，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系，(c)熔接前推力與耦合損耗的關系，(d)推力與熔接強度的關系。
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4 W, ?8 I1 ?( O) A- o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用非常重要。波長依賴性和溫度循環(huán)效應為這種技術的穩(wěn)定性提供了重要見解。
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5 D& i# r9 |& y% B) S9 f: y1 _圖4：性能測試結果：(a)跨波長范圍的耦合損耗，(b)溫度循環(huán)后的耦合損耗。

$ x. e  v0 ^  q1 i% f* O技術優(yōu)勢與實施
$ Z! Y8 ]; d2 S( J; M+ w' }, b這種熔接技術比傳統(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，通常在一秒內即可完成，而傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂方法需要幾分鐘。

: K1 C& I% [7 R- g0 r# H; O熔接參數的優(yōu)化揭示了機械強度和光學性能之間的關系。增加熔接時的力度可以提高機械穩(wěn)定性，但可能導致更高的光學損耗。因此，找到適當的平衡點對獲得最佳效果非常重要。

溫度性能與穩(wěn)定性
9 W+ N, b5 x7 v- q) Y$ u  k溫度循環(huán)測試證明了該技術的穩(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)定性使該技術特別適合需要在寬溫度范圍內運行的應用。
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# C% Q* `7 F0 }" N$ j2 Y, ~, \關鍵參數與性能指標
光纖熔接的成功依賴于對以下參數的精確控制：

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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9 q8 L% W  ^1 B6 ^+ e6 K7 q該技術展現了優(yōu)異的性能指標：
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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）

應用展望
這種方法在光電子封裝技術領域代表了重要進展，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用。

' O: {0 u; x0 @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。這使得該技術特別適合需要長期穩(wěn)定性和可靠性的應用。
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3 J4 b9 M7 R. o$ y參考文獻
( I7 O$ R- S" b# M, p* R! y[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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