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PIC光子集成封装-从样机到量产
摘要
晶圆厂提供的光子集成电路PIC的多项目晶圆（MPW）服务，使得研究人员和中小型企业（SMEs）能够低成本完成硅光子芯片的设计和制造。尽管这些硅光芯片可以在探针台上测试，但如果不将它们封装起来，就无法开发成样机，无法在实验室外进行测试。PIC的光子封装比电子封装更具挑战性，成本高出几个数量级，因为它需要可靠的um级光学对准、精确的温度控制，且通常需要高度的垂直和水平电学集成。光子封装或许是开发具有商业价值的集成光子器件过程中最显著的瓶颈。本文阐述了如何满足硅PIC封装的光、电和热要求，以及在实现规模化量产之前还需要做的工作。
关键词：
光子封装；硅光子学；集成光学；光电子学；光子集成电路（PICs）
1. 引言
过去十年，硅光子学被视为在电信、数通、医疗技术、安全和传感等领域实现革命性进展的平台[1-3]。其背后的主要驱动力是，小型化高集成度的光子系统，这些子系统可以利用CMOS电子学的几十年丰富制造经验、技术和可扩展性[4]。最终目标是开发出具有集成电路EIC类似的低成本、高容量光子集成芯片（PICs），并充分利用硅平台的全部潜力—即硅光子用于高速信号传输和感知，CMOS电子用于后续的逻辑运算和计算[5]。
人们已经开发了系列硅光子元件，这些元件作为基础“构件”，在几家硅晶圆厂提供的MPW服务中使用[6-8]。这些元件包括一维（1D）和二维（2D）光栅耦合器、边耦合器、条形/脊形波导和交叉结构、多模干涉（MMI）分束器、阶梯光栅和阵列波导（AWG）复用器/解复用器、热可调谐微环谐振器、高速锗光电二极管、热光移相器、电吸收调制器（EAMs）等。从理论上讲，数千个这样的光子元件，或许还有几十个简单的硅光芯片（PIC）设计，可以布局在单个MPW“区块”（通常为10-30mm²）上，学术研究人员和中小型企业（SMEs）通常将其用作光子设计的测试平台。然而，开发创新的PIC并在实验室环境中（无论是在光学平台上还是在探针台上）展示其功能，只是迈向实用器件的第一步，这些器件需要能够吸引投资并在市场上产生关注度和价值。在将硅PIC产品化的过程中，相关的技术挑战往往被低估，甚至在硅PIC设计阶段被完全忽视，这导致第一代样机的性能显著下降，制造成本不必要地增加。
“光子封装”技术涵盖了多种技术和专业能力，这些技术和能力用于在PIC与外部建立光学、电学、热学、机械、甚至化学连接[9-12]。“光子封装“除了包括大家数值的光纤与PIC的耦合，还包括在PIC上集成激光芯片、微光学元件、电芯片和微流体器件；将高速25Gbps传输线通过阻抗匹配的方式从外部连接到PIC上；以及为保证PIC正常工作所需的高效热管理—见图1和图2。
虽然满足这些光子封装要求中的任何一项可能都不难，但要在一个独立可靠的器件中实现全部这些要求以进行现场样机测试却不容易，在更先进的光子器件中更是如此，这些器件需要同时采用多种不同的封装技术，例如多通道光纤与PIC耦合、垂直集成的驱动芯片、高速连接以及TEC[12]。为确保这些器件在制造和组装后能完全正常工作，需要在硅PIC设计阶段就采用封装设计规则（PDRs）。本文介绍光子封装中需考虑的各种光学、电学和热学因素，作为封装设计规则的“入门指南”，同时也介绍了一些有助于光子器件产业化的趋势。
2. 光学封装
硅作为间接带隙半导体，用于激光发射的直接带隙复合概率非常低。因此，所需的光信号必须来自外部激光源，要么间接（即从分立激光器件通过光纤耦合光），要么直接（即III-V族器件/材料与硅PIC的混合/异质集成）。激光与PIC的间接和直接耦合有许多方式，每种方式还可以根据所采用的耦合方案进一步细分，例如光栅耦合、边耦合、倏逝耦合等。光纤与PIC的间接耦合常用于电信和数通应用，因为它允许通过光纤网络传输信息，而集成光源直接耦合则用于安全和传感应用。
2.1. 光纤与PIC的耦合
单模光纤SMF与硅PIC上典型波导之间传输光的主要挑战在于两种材料系统的模场直径MFD存在巨大差异。在通信波长（1260-1650nm）下，光纤中的模场直径约为10μm且呈圆对称，而PIC中的模场直径通常呈椭圆形，尺寸为0.5×0.3μm[13]。因此，除了两种波导的模场尺寸存在一个数量级的差异外，如果单模光纤模式中电场的未知且不稳定方向与PIC波导的基偏振方向（电信和数通应用通常为TE横电，传感应用通常为TM横磁）不一致，还会带来偏振相关损耗PDL。因此，通常需要某种形式的“偏振管理”以确保光纤与PIC耦合——要么直接在耦合器元件本身（如二维光栅耦合器[14]），要么在PIC的后续阶段（如必要用于滤波和旋转偏振的波导元件[15]）。如下面三个小节描述的，光纤与PIC的耦合主要有三种方法：边耦合、光栅耦合，以及最近出现的倏逝耦合，每种方法都有其自身的性能优势和局限性，适用于特定的应用。表1给出了这些不同耦合方法对比。
2.1.1. 边耦合
边耦合是激光芯片商业封装中一种成熟的方法[16]，具有低耦合损耗（小于1dB）、宽光谱、偏振无关等优良特性 [17]，但在硅光子学领域尚未被广泛采用。硅PIC的典型边耦合器由嵌入氮化物模场转换器SSC或后处理沉积的聚合物倒锥结构（长度为100-300μm）组成的SSC，以将PIC上波导模式的MFD增加到约3×3μm[18,19]，这与透镜SMF-28光纤或超高数值孔径（UHNA）光纤形成良好的模场重叠，见图3。
由于需沉积和蚀刻3-5um SiON层来制作集成的模式适配器，很难成为标准构件（主要是因为SiON层给晶圆带来了高应变），因此晶圆厂将难以在MPW中引入模场转换。在Si-PIC上添加边耦合器也会增加制造后的处理成本，因为它需要对PIC边缘进行精确的切割和抛光，或者需深蚀刻（>60um）光刻以创建一个刻面和V槽（用于使用无源对准方式将光纤与PIC波导对准），这种方式的主要缺陷是V槽占用了Si-PIC上较大空间。
大多数情况下，边耦合在PIC和透镜光纤之间进行。光纤端面的透镜形成3μm直径的光“热点”，使光纤模式与PIC上的模场转换器的模场直径更好地匹配。这种边耦合器的1dB对准公差通常为亚微米级（约±500nm），因此需要有源对准以降低插入损耗[18,19]。鉴于此对准公差与多通道光纤阵列的制造公差相当，边耦合几乎总是仅用于单通道光纤与PIC的耦合。此外，通常需要将安装在金属套管中的透镜光纤和PIC激光焊接到可伐合金封装上，以确保热胀冷缩引起的位移不会影响光纤与PIC的耦合（可伐合金是一种铁-镍-钴合金，具有与光纤中的玻璃匹配的热膨胀系数），见图3。此外，这种金属间的键合比环氧树脂键合更不易因老化环境影响而发生微小的对准漂移[16]。显然，当前最先进的边耦合的对准公差和材料要求过高，难以可靠地满足中高产量（每年10⁶-10⁷个器件）的需求。
边耦合通常用于硅光子学中的非线性应用，这些应用通常需要较高的输出光功率（约1W）来完成四波混频和其他非线性相互作用。边耦合器的宽带特性意味着可以准确测量泵浦、信号和空闲通道的相对强度（因为所有三个波长都经历相同的插入损耗），从而可以精确计算非线性转换效率。为防止损坏模式适配器，带有边耦合器的非线性应用模块必须采用密封封装，否则，由透镜光纤聚焦的高光功率形成的“热点”的电场梯度可能会产生光镊效应，将空气中的微粒和有机污染物吸引到模式适配器的端面，如果这些污染物吸收了相当一部分光功率，可能会由于端面的局部加热而导致模式适配器的灾难性失效。这种失效在SU-8和PMMA模式适配器中更为常见，而在集成的SiON模式适配器中则较少见，因为介电材料比聚合物光刻胶更耐受热分解。
与光栅耦合器阵列相比，边耦合器阵列具有更低的插损和更宽带宽，许多研究小组和公司正在研究降低边耦合对准公差的方案[21,22]，目的是放宽对准公差或提高制造公差[23]，以满足电信和数通应用中的多通道边耦合需求。当前MPW光栅耦合器的损耗和带宽通常被公司和标准化机构视为光子器件商业应用的重大障碍。
2.1.2. 光栅耦合
边耦合最常见的替代方案是光栅耦合，其在PIC的波导层中光刻蚀刻亚微米周期结构，以创建相干干涉条件，将光纤模式衍射耦合到PIC波导中[24,25]，见图4。光栅耦合器大概102μm大小以在匹配标准电信光纤8-10μm的模场直径，由约20个部分蚀刻到220nm硅层中的周期性沟槽阵列组成[12]。耦合器的峰值波长λ、沟槽间距P、光栅耦合器区域的有效折射率nₑ、氧化层的折射率nₒ和光纤模式的入射角θ之间存在简单关系：λ=P(nₑ−nₒsinθ)，其中nₑ的值由沟槽的蚀刻深度和占空比以及光纤模式的偏振决定。通常采用近法线入射角（θ≈10°），以向耦合模式提供方向性，并减少向光纤的背反射。然而，从封装的角度来看，近法线入射的光纤与PIC耦合可能会导致器件体积庞大且机械性能不佳。为解决这一问题，已开发出一种用于光纤与PIC耦合的“准平面”方法，其中光纤端面被抛光至约40°，以创建全内反射条件，将光纤模式以正确的10°角导向光栅耦合器[26,27]，见图5。这种几何结构形成了几乎“二维”的封装，在其中更容易满足电信光纤的最小弯曲半径（≈5cm），同时保持合理的器件占位面积。
光栅耦合器比边耦合器具有更宽松的对准公差，面内±2.5μm错位通常产生1dB的代价[13]。光栅耦合器放置位置灵活，无需放置在芯片边缘，可以放置在PIC表面的任何位置，也不需要切割和抛光等后续工艺，使得硅PIC在封装前就可以进行晶圆级测试和表征。尽管有这些优点，但光栅耦合的插损要高于边耦合。好消息是，光栅耦合器设计的最新研究进展已经开始缩小这一性能差距，有报道称在SOI平台中，均匀和切趾光栅耦合器的插入损耗分别为1.6dB和1.2dB（测量）[28,29]。更先进但商业化较低的光栅耦合器设计（在后工艺步骤中添加金属背反射层）可实现0.6dB的插入损耗[30]，这表明先进的光栅耦合器已与边耦合器具有相同水平的性能，并具有宽松的对准公差。
因为通信光的偏振未知且不稳定，而标准的“一维”光栅耦合器通常偏振相关，这使得它们不适合电信和数通连接。一种解决方案是二维光栅耦合器，它由两个正交的一维光栅耦合器叠加而成，可以接收任何偏振状态的光纤模式，并将其衍射到两个均为TE偏振的PIC上的波导中[31]。最近关于硅光子学二维光栅耦合器优化的工作预测，带背反射器和不带背反射器的设计的插入损耗分别为1.0dB和2.0dB，偏振相关损耗PDL低至0.3dB[32,33]。
对于许多通信领域应用，通常需要将多个通道封装到同一个PIC上，目标甚至是128和256个通道。不必单通道对准，可使用“光分流器”来同时将每个光纤与匹配的光栅耦合器对准[34]。在这种方法中，需构建一个精密光纤阵列，它使用一块玻璃板，在玻璃板上精确蚀刻有一系列平行的V槽，间距通常为127μm或250μm，以对应标准电信光纤的直径，还有一个平的玻璃“盖子”，见图6。当光纤插入V型槽通道并盖上盖子后，三点接触条件确保了不同通道的精确位置和间距。这些光纤阵列中光纤内芯的标称中心度为±0.5μm，这完全在光栅耦合器±2.5μm的1dB对准公差范围内。因此，当第一个和最后一个光栅耦合器通过分流波导连接时，使分流传输最大化的光纤阵列单次有源对准也会将所有中间光纤通道相对于其光栅耦合器对准（公差为±0.5μm）。一旦完成单通道或多通道光纤与PIC的对准，就使用低收缩折射率匹配的紫外（UV）固化环氧树脂将其固定。
尽管分流对准有助于降低光纤与PIC封装的单通道封装成本，但需要采用一次有源对准步骤，而实现量产封装需要采用无源对准方案。最近有研究展示的“倒装芯片”光纤与PIC对准方法 [35]，它使用分束器系统将光纤阵列中的内芯与PIC上的匹配光栅耦合器进行视觉对准，公差为±1μm，无需有源对准。由于这在光栅耦合器的1dB对准公差范围内，这种方法仍然具有低耦合损耗，但比有源对准至少快一个数量级。另一种无源对准方案使用大面积30μm×30μm光栅耦合器，其提供±10μm的1dB对准公差，目前也在研究中。它的主要缺点是光谱带宽减小，这导致其不适合波分复用应用。
2.1.3. 倏逝耦合
2015年，IBM-苏黎世首次将一种称为“倏逝耦合”的新方法应用于硅光子学 [36]。与边耦合类似，它使用倒锥从PIC波导中高效提取模式。然而，该模式不是被PIC上的模场转换器捕获，而是倏逝耦合到另一个光学芯片上的第二个波导中，该光学芯片与PIC面对面非常接近，见图7。然后，光芯片上的折射率和模场直径可以轻松匹配标准单模光纤，从而实现两步（光纤-芯片-PIC）耦合过程。目前，芯片与芯片的倏逝耦合仅在硅PIC和基于聚合物的光芯片之间得到证明，但没有明显的理由表明这种方法不能转移到基于玻璃或SiON的光芯片上，以用于更可靠的光子器件。
倏逝耦合很有吸引力，因为它具有边耦合的所有典型优势，如低插入损耗、宽带耦合和低偏振敏感性，以及光栅耦合典型的宽松对准公差[36]。此外，与边耦合不同，倏逝耦合器的倒锥不需要位于PIC的边缘，也不依赖于PIC边缘的精密切割和抛光，进一步降低了批量实施成本。
2.2. 激光与PIC的集成
对于光子学中的许多传感应用，希望在硅PIC上本地生成连续波或调制光信号。由于没有可与CMOS单片集成的激光二极管，这要么需要（i）III-V族材料与硅PIC的异质集成；要么需要（ii）III-V族器件与硅PIC的混合集成。
异质集成是将具有光学增益的III-V族材料键合到硅PIC上（直接键合或通过中间聚合物粘合剂层），然后蚀刻材料以创建激光腔条件。根据应用的不同，腔可以通过两个蚀刻端面、两个布拉格反射器，或者使用微环来形成[37,38]。产生的激光发射随后倏逝耦合到PIC上的波导中。异质集成可以被视为一种后处理步骤，而不是光子封装，通常用于制造半导体放大器（SOAs），其提供光增益以抵消硅PIC上的插损和波导损耗[39]，见图8。这些集成的半导体光放大器的光增益具有强的热依赖性，需要温度稳定以实现稳定的性能。
混合集成涉及将光从分立的III-V族激光器件耦合到硅PIC上，要么直接耦合，要么通过微光机电（μOEM）平台。混合集成方案的集成密度往往低于异质集成方案，但具有使用“已知优良器件”的优势，具有更高的良率和更好的性能分布。两种很有前景的混合集成方案是微光学平台和直接VCSEL集成。
2.2.1. 微光学平台
Luxtera和廷德尔国家研究所都展示了微光学平台（MOB）[40,41]。这些微光学平台由AlN或Si底座组成，其上安装有边发射激光芯片、用于准直和聚焦的球透镜以及用于光束转向的反射镜（或全内反射元件），见图9。密封的Luxtera微光学平台还包括一个微光学隔离器，以减少对激光芯片的反馈。微光学平台的功能是将来自边缘发射激光的光重新成像到PIC表面的光栅耦合器上，具有所需的近法线入射角。可以使用PIC上的标准一维光栅耦合器，但为更好地匹配来自微光学平台的椭圆光斑而设计的定制光栅耦合器具有更低的插损。
在廷德尔微光学平台中，300μm的球透镜在精密激光钻孔中自对准，然后为微棱镜反射元件的对准和安装提供固定参考点。微光学平台的总面积约为1×1mm，激光芯片、微透镜和微棱镜的单个元件的最大尺寸为300μm。组装完成后，微光学平台相对于硅PIC上的光栅耦合器进行有源对准，1dB对准公差与光纤与PIC耦合相当（±2.5μm）。如果没有足够的散热，微光学平台上的激光芯片可能会过热，导致性能下降或烧毁。微光学平台与PIC以及TEC之间良好的热接触对于微光学平台的稳定运行是必要的[42]。
垂直腔面发射激光器（VCSELs）的直接集成也是混合集成的一种很有前景的途径。与微光学平台（1×1mm）相比，VCSEL芯片（250×250μm）的占位面积显著减小，可以实现非常高的集成度。已有采用平面VCSEL与PIC的集成方案，其中基于光刻胶的“楔形物”用于将VCSEL模式折射到光栅耦合器上，具有所需的近法线入射角[43]。或者，可以设计光栅耦合器将垂直腔面发射激光器模式耦合到一对相对的波导中，在相位补偿后可以将其重新组合到单个通道中[44]。还可以使用倾斜垂直腔面发射激光器方法，其中垂直腔面发射激光器通过不对称分布的焊球直接倒装到PIC上[45]，见图10。通过控制可用于焊料润湿的键合焊盘的接触面积，可以优化垂直腔面发射激光器的倾斜角度。这种倾斜垂直腔面发射激光器方法允许与PIC的倒装芯片无源对准，以实现商业化量产快速组装。
2.2.2. 垂直腔面发射激光器集成