硅光芯片的無源封裝技術(shù)

昨天在朋友圈看到一個(gè)圖，并借用2017年IBM的一個(gè)硅光耦合的圖來解釋“無源封裝”技術(shù)

我再寫一下什么叫無源封裝，或者叫無源耦合。在合集2020第76頁有過一些簡單的描述。

在我匯總的一個(gè)硅光行業(yè)報(bào)告中，有較為詳細(xì)的分類解析。

我自己來恢復(fù)一下這個(gè)圖，這個(gè)圖的含義包括了電學(xué)、光學(xué)和熱學(xué)

電學(xué)：硅光芯片和兩個(gè)淺藍(lán)色的模擬電芯片的電信號(hào)連接內(nèi)容，需要3D堆疊封裝，與高頻信號(hào)損耗有關(guān)。

光學(xué)：光纖陣列寬度，耦合容差，以及硅波導(dǎo)的SSC模斑轉(zhuǎn)換，IBM在2017年版本的基礎(chǔ)上2020年做了優(yōu)化，改為倏逝波耦合，結(jié)構(gòu)寫在硅光行業(yè)報(bào)告的第187-188頁。

熱學(xué)：對(duì)接耦合需要考慮Z軸的一致性與損耗。

在硅光芯片上刻蝕V型槽，能起到三維限位的作用，V型槽的寬度間距和光纖間距一致，產(chǎn)業(yè)鏈大約分為兩大類，一大類是250μm，另一大類是減包層后的特殊間距，約在160μm左右。

優(yōu)化后的倏逝波耦合，要有一段扇入扇出，硅波導(dǎo)間距不用V型槽，而改為50微米間隔，用于降低Z軸翹曲、對(duì)準(zhǔn)精度、耦合損耗等幾個(gè)方面的影響。

只看一個(gè)光纖，通過V型槽對(duì)準(zhǔn)硅波導(dǎo)的SSC轉(zhuǎn)換，精度很高。

如果是陣列，就比較麻煩。

早期，V型槽是玻璃基板刻蝕，與硅波導(dǎo)做耦合。畢竟是兩個(gè)器件，XYZ以及傾斜度，對(duì)于整體的耦合損耗控制比較難。

用“無源”耦合方式，行業(yè)報(bào)告的第194-195頁，可以通過邊沿兩側(cè)的波導(dǎo)，在硅光芯片不通電的情況下，可進(jìn)行前期對(duì)準(zhǔn)。通過兩邊的光纖，一個(gè)外部耦合光源進(jìn)入，結(jié)合硅的環(huán)波導(dǎo)，繼而從另一側(cè)光纖輸出，在耦合設(shè)備處放一個(gè)探測器，通過探測器的電流峰值狀態(tài)，就能知道耦合效率的最高點(diǎn)。

如果考慮到多個(gè)光纖的耦合損耗分布，上述的無源耦合并不能解決損耗一致性的問題。

我們理想的光路對(duì)接是下圖這樣的，4個(gè)/8個(gè)/16個(gè)/32個(gè)，每個(gè)間距250微米，總計(jì)好幾個(gè)毫米的狀態(tài)下，他們的波導(dǎo)高度都一致。

但是現(xiàn)實(shí)可能做不到，比如硅光芯片是需要電信號(hào)引入引出的，那么焊接時(shí)的局部高熱，會(huì)引起芯片的翹曲，雖然宏觀上產(chǎn)生的Z軸高度差異很小，幾個(gè)毫米長，只有千分之一的高度變化，幾個(gè)微米而已。要知道咱們單模光纖的波導(dǎo)直徑也是幾個(gè)微米，Z軸翹度會(huì)導(dǎo)致很大的損耗不均勻。

這個(gè)時(shí)候面臨的困境，即使是“無源”耦合，也會(huì)導(dǎo)致部分通道耦合損耗極大的隱患。

解決方案有幾種，第一種在硅基板上刻蝕V型槽，可緩解分立結(jié)構(gòu)的翹曲不一致，第二種在對(duì)接兩側(cè)采用準(zhǔn)直透鏡，擴(kuò)大尺寸冗余度，第三種是采用對(duì)稱透鏡將XY平面耦合，轉(zhuǎn)換為Z向?qū)?zhǔn)，第四種將對(duì)接耦合改為倏逝波耦合，不再依賴Z軸高度的亞微米精度的一致性。

第一種方案是直接在硅光芯片上刻蝕V型槽，對(duì)于Z軸翹曲的容忍性，比分立器件好很多。

審核編輯：劉清