光子引线键合工艺可以为更多光子电子打开大门

随着光子学技术在行业中寻求其利基市场，需要克服的一个障碍是可扩展的制造工艺。一种称为光子引线键合（PWB）的技术希望推动光子学向前发展。

在过去的几年中，研究人员在光子封装和集成方面取得了巨大进展。

该技术的进步导致了高度集成的光子集成电路（PIC）的制造，同时采用了可扩展的微米和纳米制造技术，旨在解决与光子芯片间连接相关的挑战。

硅 PIC 的插图。图片由Carroll 等人提供

在提供高带宽、低功耗和小外形尺寸的同时，PIC 可在广泛的领域中找到应用，包括电信、数据中心、RF 系统等。

尽管推动创造更多的光子技术，但这项技术面临着一些挑战，尤其是在制造方面。

考虑到这一点，本文将讨论一个主要挑战，即光子引线键合，以及它如何在 PIC 开发中发挥作用。

克服光子引线键合的限制

传统的光子器件通常通过标准的单模光纤连接。不幸的是，这种用于连接的技术可能会在强引导片上波导和光纤的光学模式之间产生不匹配。

更重要的是，可实现的最小互连密度由光纤的横截面决定，它可能相对大于片上组件的几何尺寸。

为了克服光子互连中的这些限制，卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的研究人员开发了一种 PWB 技术，该技术提供了连接和集成光子器件的潜力，以实现灵活和高性能的多芯片系统。

总体而言，该技术声称是光学模块工业生产的不错选择。

过去，研究人员使用光子引线键合技术制造了一个400 Gbit/s 的硅光子发射器模块，该模块包括一个由八个激光源组成的阵列，这些激光源为八个硅光子马赫 - 曾德调制器 (MZM) 阵列供电。

这项技术的发展有助于刺激光子学研究和设备创造。希望利用这种 PWB 技术，合作旨在更大规模地集成它。

协作为可扩展图片打开了更多大门

PWB 技术通常针对最先进的光子子组件中对低损耗光学互连不断增长的需求。

Freedom Photonics希望利用 PWB 技术促进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 系统。

这两款设备使用 3D 纳米打印技术在两个组件 (PWB) 或刻面附加微透镜 (FAML) 之间制造波导光学互连，以使用 2 光子光刻工艺耦合光。

虽然 SONATA 是执行 PWB 和 FAML 的结构操作的光刻单元，但 REPRISE 负责所有预处理和后处理步骤，包括分配、去除未曝光的树脂、清洁和粘合封装。

光子引线键合是如何制成的？

制造商按照分步流程制造光子引线键合。此外，制造过程采用基于多光子诱导聚合的三维直接激光写入（3D DLW）。

光子材料首先安装在平面显微镜盖玻片或金属底座上。该底座执行机械接地板、散热器和电接触功能。

然后，使用聚合物粘合剂、导电粘合剂或焊接技术将裸片放置在子底座上。

光子引线键合工艺的典型示例。图片由Lindenmann 等人提供

此外，通过用超净丙酮和异丙醇连续冲洗来清洁子底座和光子组件，以去除有机残留物和松散的无机颗粒。

样品制备后，将光学模块和抗蚀剂材料插入 3D 直接激光写入光刻系统。此外，光刻胶材料沉积在馈电波导的互连区域之间。

用于模式识别的相机和计算机视觉技术的组合用于获得光学馈电波导的视觉印象。同时，PWB 的形状适应集成波导刻面的实际位置。

基于波导出口的测量坐标，计算出新兴光子线键合的结构。然而，计算的结构被转移到由光刻系统连续寻址的单个点组成的单个写入行中，以生成机器可读的数据集。

最后，在显影浴中去除未聚合的抗蚀剂材料。在制造过程中，不需要高精度的主动对准，因为波导几何形状适应光子子系统的相对位置。

光子引线键合制造的下一步

卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员开发的光子引线键合技术专注于芯片到芯片的光子连接。进一步的进步是在片上波导和单模光纤之间加入 PWB 接口。

此外，对可以通过双光子聚合结构化的不同抗蚀剂材料的评估也很重要。

光子引线键合互连的特写视图。光子引线键合工艺的典型示例。图片由Lindenmann 等人提供

总而言之，光子引线键合技术热衷于提供具有高封装密度和增加光子集成电路设计灵活性的光子系统。

审核编辑 黄昊宇