7/03/2025，光纖在線訊，文章來源：逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

從傳統(tǒng)2D光子線路到復(fù)雜3D光電子集成芯片的演進(jìn)代表著現(xiàn)代光子技術(shù)領(lǐng)域最重要的發(fā)展之一。這一轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ茉鰪?qiáng)和集成密度提升帶來了巨大機(jī)遇，但同時(shí)也引入了復(fù)雜挑戰(zhàn)，需要在對(duì)準(zhǔn)和封裝技術(shù)方面采用創(chuàng)新解決方案。對(duì)于任何從事或研究先進(jìn)光子系統(tǒng)的人員來說，理解這些技術(shù)都具有重要意義[1]。

3D光子技術(shù)中精密對(duì)準(zhǔn)的核心作用
精密對(duì)準(zhǔn)構(gòu)成了所有成功3D光子器件構(gòu)建的基礎(chǔ)。與2D器件不同，3D光電子集成芯片涉及多個(gè)堆疊層，這些層必須無縫協(xié)作以維持光信號(hào)完整性。當(dāng)我們考慮到即使是以微米分?jǐn)?shù)計(jì)量的微觀錯(cuò)位都可能導(dǎo)致顯著信號(hào)損失、組件間串?dāng)_增加以及器件性能嚴(yán)重下降時(shí)，挑戰(zhàn)的嚴(yán)峻性立即顯現(xiàn)。

      
圖1：精密對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，顯示跨層波導(dǎo)的對(duì)準(zhǔn)過程，演示了不同通道配置如何需要精確定位以維持信號(hào)完整性。
精密對(duì)準(zhǔn)在3D光子系統(tǒng)中的重要性不容忽視。當(dāng)光在波導(dǎo)、激光器、調(diào)制器和探測(cè)器等光子組件間傳輸時(shí)，耦合效率很大程度上取決于這些元件的精確定位。在3D架構(gòu)中，這一挑戰(zhàn)成倍增加，因?yàn)槲覀儾粌H要考慮每層內(nèi)的水平對(duì)準(zhǔn)，還要考慮堆疊層間的垂直對(duì)準(zhǔn)。這些結(jié)構(gòu)的緊湊性意味著傳統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)方法往往不夠充分，需要開發(fā)專門技術(shù)。

精密對(duì)準(zhǔn)領(lǐng)域主要采用兩種方法：被動(dòng)和主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)依靠精心設(shè)計(jì)的物理特征和精密制造工藝來實(shí)現(xiàn)精確定位，無需在Assembly過程中進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。這些方法包括光刻對(duì)準(zhǔn)，使用精密光刻工藝以高精度定義組件位置。配備復(fù)雜光學(xué)和機(jī)械系統(tǒng)的先進(jìn)掩模對(duì)準(zhǔn)器可通過步進(jìn)重復(fù)光刻工藝實(shí)現(xiàn)亞微米對(duì)準(zhǔn)精度。

自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)代表被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的另一個(gè)引人注目的方面，利用材料和結(jié)構(gòu)的自然趨向在制造過程中正確定位。例如，毛細(xì)管力對(duì)準(zhǔn)使用焊料或粘合劑液滴的表面張力在鍵合過程中將組件拉入精確對(duì)準(zhǔn)位置。定向自Assembly采用嵌段共聚物，這些聚合物在光刻定義圖案的引導(dǎo)下自然組織成明確的納米結(jié)構(gòu)。

機(jī)械對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)提供另一種被動(dòng)方法，將精密加工的對(duì)準(zhǔn)銷、孔、V型槽和脊直接集成到基板或組件中。這些結(jié)構(gòu)引導(dǎo)光纖和波導(dǎo)進(jìn)入精確位置，創(chuàng)建確保多個(gè)器件間一致對(duì)準(zhǔn)的物理框架。

相比之下，主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)涉及Assembly過程中的實(shí)時(shí)反饋和連續(xù)調(diào)整。光學(xué)反饋對(duì)準(zhǔn)在組件定位時(shí)監(jiān)控光信號(hào)，通過調(diào)整來最大化光功率傳輸并最小化損失。干涉對(duì)準(zhǔn)通過分析光信號(hào)的相位和振幅變化實(shí)現(xiàn)更高精度，能夠?qū)崿F(xiàn)亞波長(zhǎng)定位精度。

配備高分辨率相機(jī)和精密執(zhí)行器的機(jī)器人Assembly系統(tǒng)代表主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的前沿。這些系統(tǒng)使用帶真空夾具或機(jī)械臂的拾放機(jī)器人來定位組件，同時(shí)接收連續(xù)視覺反饋。納米操縱器提供終極精密控制，能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成3D光電子集成芯片所必需的納米級(jí)對(duì)準(zhǔn)。

最有效的方法通常將被動(dòng)和主動(dòng)技術(shù)結(jié)合在混合對(duì)準(zhǔn)策略中。使用被動(dòng)技術(shù)進(jìn)行預(yù)對(duì)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)粗略定位，然后使用主動(dòng)技術(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。多階段對(duì)準(zhǔn)過程處理不同組件或?qū)拥捻樞驅(qū)?zhǔn)，使用集成反饋系統(tǒng)在整個(gè)三維結(jié)構(gòu)中保持一致精度。

堅(jiān)固3D光電子集成芯片的先進(jìn)封裝策略
3D光電子集成芯片的封裝技術(shù)遠(yuǎn)超簡(jiǎn)單保護(hù)范圍，涵蓋環(huán)境屏蔽、熱管理、信號(hào)完整性保持和機(jī)械穩(wěn)定性等功能。3D光電子集成芯片特有的高組件密度和垂直堆疊創(chuàng)造了獨(dú)特的封裝挑戰(zhàn)，需要?jiǎng)?chuàng)新解決方案。

     
圖2：3D光電子集成芯片封裝技術(shù)示意圖，展示保護(hù)層和接口，演示了現(xiàn)代封裝解決方案的復(fù)雜性。
氣密封裝通過在氣密外殼中密封光電子集成芯片提供最高級(jí)別的環(huán)境保護(hù)。常用材料包括Kovar等金屬和各種陶瓷，兩者都對(duì)濕氣、灰塵和其他環(huán)境污染物提供優(yōu)異的屏障性能。焊接、焊料連接或玻璃熔封等密封方法創(chuàng)建堅(jiān)固的氣密外殼，特別適合航空航天、軍事和工業(yè)應(yīng)用中的苛刻環(huán)境。

倒裝芯片鍵合代表一種變革性封裝方法，將光電子集成芯片倒置安裝在基板上，通過通常由焊料或金制成的金屬凸塊實(shí)現(xiàn)直接電氣和熱接觸。這種配置提供更短的互連長(zhǎng)度，降低電阻的同時(shí)改善熱耗散。在芯片和基板間施加的底部填充材料增強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性和熱性能，使倒裝芯片鍵合成為高性能計(jì)算和電信應(yīng)用的理想選擇。

線鍵合雖然較為傳統(tǒng)，但因其多功能性和成本效益而保持價(jià)值。這種技術(shù)使用細(xì)金線或鋁線連接芯片鍵合焊盤與外部引線。包括熱壓、超聲和熱超聲鍵合在內(nèi)的各種鍵合方法創(chuàng)建可靠連接，盡管該方法在高密度互連應(yīng)用中可能面臨由于潛在信號(hào)延遲和串?dāng)_問題而產(chǎn)生的限制。

硅通孔為3D光電子集成芯片提供突破性能力，通過創(chuàng)建直接穿過硅基板的垂直電連接。這些結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)直接層間通信，同時(shí)也作為熱通孔促進(jìn)熱量從內(nèi)層向外部散熱器的耗散。硅通孔通過蝕刻硅晶圓上的孔洞并用銅等導(dǎo)電材料填充來制造，對(duì)于需要高互連密度和低延遲的高性能計(jì)算和先進(jìn)光子應(yīng)用至關(guān)重要。

微光學(xué)封裝將透鏡、反射鏡和波導(dǎo)等光學(xué)組件直接集成到光電子集成芯片封裝中。這種方法需要光纖和波導(dǎo)的精確對(duì)準(zhǔn)，以確保高效光傳輸且損失最小?？梢约晌⑼哥R來聚焦或準(zhǔn)直光束，增強(qiáng)耦合效率和信號(hào)完整性。這種封裝策略對(duì)于要求高精度和低光損失的光子應(yīng)用至關(guān)重要，特別是在數(shù)據(jù)通信和傳感應(yīng)用中。

先進(jìn)封裝材料的選擇顯著影響器件性能和可靠性。金剛石和類金剛石碳等高導(dǎo)熱材料作為高功率應(yīng)用中的散熱器和基板是理想選擇?；谑┑臒峤缑娌牧显鰪?qiáng)組件間熱傳遞，在具有高功率激光器、調(diào)制器和其他產(chǎn)熱密集光子組件的系統(tǒng)中改善整體熱管理。

具有低熱膨脹系數(shù)的材料有助于防止溫度變化引起的機(jī)械應(yīng)力和錯(cuò)位。Kovar是一種具有與硅相似熱膨脹特性的鐵鎳鈷合金，可最大限度減少熱失配問題。氧化鋁和氮化鋁陶瓷既提供低熱膨脹又具有高導(dǎo)熱性，使其適合在經(jīng)歷顯著溫度波動(dòng)的環(huán)境中用作基板和外殼。

層間光學(xué)互連：實(shí)現(xiàn)垂直集成
高效層間光學(xué)互連的開發(fā)可能代表三維光子集成中最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)。這些互連必須在堆疊層間垂直傳輸光信號(hào)，同時(shí)保持低損耗和高錯(cuò)位容忍度，隨著集成密度增加，這些要求變得日益苛刻。

      
圖3：層間光學(xué)互連圖表，突出顯示復(fù)雜三維光子系統(tǒng)中低損耗、高錯(cuò)位容忍度垂直連接的解決方案。
垂直光柵耦合器作為層間光學(xué)連接最廣泛采用的解決方案之一。這些器件使用精心設(shè)計(jì)的周期結(jié)構(gòu)將光從一層衍射到另一層，促進(jìn)高效垂直互連。這些耦合器的成功很大程度上取決于優(yōu)化光柵周期、深度和占空比等參數(shù)，以最大化耦合效率同時(shí)最小化損耗。與現(xiàn)有制造工藝的兼容性使其對(duì)多層硅基光電子應(yīng)用特別有吸引力。

微反射鏡通過使用可傾斜或彎曲的反射表面在層間引導(dǎo)光信號(hào)，為垂直光學(xué)連接提供替代路徑。這些反射鏡可在光電子集成芯片制造過程中集成或納入封裝工藝中，對(duì)光方向提供精確控制并實(shí)現(xiàn)高耦合效率。在需要在不同層或組件間路由光的光開關(guān)、調(diào)制器和其他光子器件中有常見應(yīng)用。

垂直波導(dǎo)通過專門蝕刻或沉積工藝在層間創(chuàng)建連續(xù)光路徑，為層間連接提供最直接的方法。硅或氮化硅等高折射率材料確保高效光限制和傳輸，使垂直波導(dǎo)成為多層光互連和集成光子線路中需要層間直接光連接應(yīng)用的理想選擇。

光學(xué)通孔代表專門為低損耗垂直光學(xué)連接設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)。這些通孔可用低損耗光學(xué)材料填充或設(shè)計(jì)為氣隙，使用精密蝕刻和沉積技術(shù)制造以確保精確對(duì)準(zhǔn)。提供直接高效的垂直光傳輸方式，同時(shí)降低光信號(hào)路由的復(fù)雜性，在數(shù)據(jù)中心和先進(jìn)計(jì)算應(yīng)用的高密度垂直互連中特別有用。

等離子體互連利用表面等離子體激元實(shí)現(xiàn)具有異常帶寬和低損耗特性的垂直光學(xué)連接。這些電磁波沿金屬和電介質(zhì)間界面?zhèn)鞑?，能夠在納米尺度維度實(shí)現(xiàn)高效光傳輸。等離子體互連的性能很大程度上取決于材料選擇和幾何優(yōu)化，提供適合高速光通信和下一代數(shù)據(jù)中心的高帶寬和低損耗能力。

在這些互連系統(tǒng)中保持性能需要復(fù)雜的錯(cuò)位容忍度方法。自對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)在制造過程中自然對(duì)準(zhǔn)，利用毛細(xì)管力和V型槽或?qū)?zhǔn)銷等機(jī)械引導(dǎo)確保精確定位。主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)提供實(shí)時(shí)反饋和調(diào)整能力，使用光學(xué)監(jiān)控和精密機(jī)器人系統(tǒng)在整個(gè)Assembly過程中保持最佳對(duì)準(zhǔn)。

自適應(yīng)光學(xué)代表維持對(duì)準(zhǔn)的最先進(jìn)方法，采用調(diào)整其特性以補(bǔ)償錯(cuò)位和其他畸變的動(dòng)態(tài)元件?？勺冃畏瓷溏R響應(yīng)控制信號(hào)改變形狀，實(shí)現(xiàn)光路的實(shí)時(shí)校正，而可調(diào)透鏡調(diào)節(jié)焦距或位置以保持對(duì)準(zhǔn)和聚焦。

3D光子集成的未來取決于這些對(duì)準(zhǔn)和封裝技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。隨著器件日益復(fù)雜且集成密度持續(xù)增長(zhǎng)，更復(fù)雜對(duì)準(zhǔn)技術(shù)、先進(jìn)封裝材料和創(chuàng)新互連解決方案的開發(fā)將決定下一代光子系統(tǒng)的成功。這些技術(shù)為電信、高速數(shù)據(jù)處理和先進(jìn)傳感系統(tǒng)中的應(yīng)用提供卓越的性能、可擴(kuò)展性和彈性水平，真正推動(dòng)小型化、高效光子技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)
[1] Y. Yi, "Alignment and Packaging of 3D PICs," in From 2D to 3D Photonic Integrated Circuits, Synthesis Lectures on Emerging Engineering Technologies. Cham, Switzerland: Springer Nature Switzerland AG, 2025.