光電子集成芯片的光纖熔接封裝技術(shù)介紹

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
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(shí)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(duì)實(shí)現(xiàn)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(xué)粘合劑，這在低溫應(yīng)用中會(huì)受到限制。本文介紹一種創(chuàng)新的光纖熔接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且低損耗的光纖到芯片的封裝[1]。
* q) f5 A1 x+ e6 p; K8 e

4 |# p/ k0 b: {  }4 Z波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
  ~4 l3 G6 c5 Z首先了解熔接實(shí)驗(yàn)中使用的波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)。該平臺(tái)由氮化硅（SiN）層構(gòu)成，具有專門設(shè)計(jì)的尺寸以實(shí)現(xiàn)最佳光傳輸效果。

圖1：用于光纖熔接測(cè)試的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，顯示平面圖和立面圖。

) {5 a0 z" K2 K. W; \* o實(shí)驗(yàn)設(shè)置
熔接過(guò)程需要精密的對(duì)準(zhǔn)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(guò)機(jī)械快門的脈寬調(diào)制來(lái)控制功率輸出。
6 o# ?' x4 m# L. e* r
) r% t; ?/ `9 h圖2：完整的光纖芯片熔接設(shè)置示意圖。
1 @, }# h: B  t/ e: `
% b( \: j, y9 {' W: x8 N3 v圖中展示了熔接設(shè)置的組件布局，顯示輸入信號(hào)光纖如何與光波導(dǎo)芯片熔接，以及輸出光纖的監(jiān)測(cè)能力。
7 `) o& q; ?5 ~1 r3 o
0 i6 `* V* E' Z  x$ k工藝參數(shù)與優(yōu)化
+ Y4 ^+ k- x2 J6 M6 ^光纖熔接的效果取決于多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，包括激光功率、施加力度和熔接條件。通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)，研究人員確定了實(shí)現(xiàn)低損耗連接的最佳條件。
5 D1 ^2 e- k. i& {/ G
" _' e1 q/ X4 @7 T- Y# Y圖3：光纖熔接參數(shù)的綜合評(píng)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(qiáng)度的關(guān)系。

性能與可靠性分析
熔接連接的長(zhǎng)期性能和可靠性對(duì)實(shí)際應(yīng)用非常重要。波長(zhǎng)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(jiàn)解。
: c1 E/ q5 u5 H! \( a8 d# y: ]  ^
圖4：性能測(cè)試結(jié)果：(a)跨波長(zhǎng)范圍的耦合損耗，(b)溫度循環(huán)后的耦合損耗。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與實(shí)施
這種熔接技術(shù)比傳統(tǒng)方法具有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。首先，無(wú)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(lái)的潛在問(wèn)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。

( T2 O4 g# X* L( k熔接參數(shù)的優(yōu)化揭示了機(jī)械強(qiáng)度和光學(xué)性能之間的關(guān)系。增加熔接時(shí)的力度可以提高機(jī)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(diǎn)對(duì)獲得最佳效果非常重要。
% c9 P0 [1 p; I  ]; \( r6 Q: I+ I
溫度性能與穩(wěn)定性
溫度循環(huán)測(cè)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(jìn)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(yùn)行的應(yīng)用。

1 \# i! }4 Q9 [, w3 D關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)
7 E5 C/ F. l' P: w光纖熔接的成功依賴于對(duì)以下參數(shù)的精確控制：
. Q+ E0 @% |; a+ p- z: j' v

激光功率（優(yōu)化為1.0瓦以獲得最小插入損耗）

曝光時(shí)間（通常為0.1秒）

熔接時(shí)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

該技術(shù)展現(xiàn)了優(yōu)異的性能指標(biāo)：

每個(gè)端面的耦合損耗減少0.5分貝

在120納米波長(zhǎng)范圍內(nèi)性能穩(wěn)定

溫度循環(huán)后性能降低很�。ㄎ鍌�(gè)循環(huán)后僅增加0.3分貝）
  c! w/ S0 Y5 c4 ~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(jìn)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(shí)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(yùn)行的應(yīng)用。

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

1 u6 h" p0 ]0 n' b2 W8 z: ?參考文獻(xiàn)
! p/ ?; q% ~  e  l7 P[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.
, L: B' f' n8 n) u$ o+ d, L
END
* U! m$ F' @+ [1 o" Q( l: e6 m1 A

+ c: {( ]& K# D( ~0 L5 x2 ~' N軟件申請(qǐng)我們歡迎化合物/硅基光電子芯片的研究人員和工程師申請(qǐng)?bào)w驗(yàn)免費(fèi)版PIC Studio軟件。無(wú)論是研究還是商業(yè)應(yīng)用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
點(diǎn)擊左下角"閱讀原文"馬上申請(qǐng)

9 A$ N' |, H0 [$ u. u歡迎轉(zhuǎn)載
3 P2 X; D7 J; P/ O5 T$ K
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，請(qǐng)勿修改內(nèi)容和刪除作者信息！


5 ^8 y3 A7 I2 ?3 e5 Z: v) d' k9 T9 W


關(guān)注我們
! [) k2 i0 |/ g% d

# |. B6 S4 {; z' n7 f  B9 W. p $ X3 o2 }  k5 \

, \3 U' l! E8 C5 y/ D* O/ k) a

                     



. o1 p8 ?3 u  ^關(guān)于我們：
深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開(kāi)發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
7 n3 e  _! ^& O$ O! B3 w% n  L
# t0 M6 Y1 O( p0 nhttp://www.latitudeda.com/
（點(diǎn)擊上方名片關(guān)注我們，發(fā)現(xiàn)更多精彩內(nèi)容）