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。
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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]。
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波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)
% t$ D2 ], H* c& [6 {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。
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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。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置
( Y  a8 o( a4 A( X5 F熔接過程需要精密的對(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，通過機(jī)械快門的脈寬調(diào)制來控制功率輸出。

& y& J; R4 ?% `7 C9 l0 \: [& G! R9 ]圖2：完整的光纖芯片熔接設(shè)置示意圖。
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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)測能力。
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1 `0 ?) T* U5 D  Z. }工藝參數(shù)與優(yōu)化
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。

- X& M. h3 J. L, d6 C* L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
熔接連接的長期性能和可靠性對(duì)實(shí)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。
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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。
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技術(shù)優(yōu)勢與實(shí)施
% G2 Z; a! Y1 c9 Q% U& v5 a這種熔接技術(shù)比傳統(tǒng)方法具有多項(xiàng)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。

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。
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溫度性能與穩(wěn)定性
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(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。
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/ G5 ?" F9 Q2 C關(guān)鍵參數(shù)與性能指標(biāo)
9 S) ~4 X8 e2 f; M( ?光纖熔接的成功依賴于對(duì)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(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
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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）
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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。
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參考文獻(xiàn)
; t( h5 c  L+ _& x- ^6 Q[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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1 f. w; D7 d! y  I$ ^4 E9 ~, j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)。
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