光学引线键合技术 (photonic wire bonding)

前一篇笔记 硅光芯片的光源 提到通常将III-V族LD直接倒装焊到SOI芯片上，但是该方法对贴装的精度要求较高，需要花费较多的时间进行对准调节。本篇笔记主要介绍一种新的解决方案，用于解决贴装对准的问题。

该方案称为Photonic wire bonding（以下简称为PWB）, 顾名思义，也就是光学打线。在集成电路中，使用金属打线（metallic wire bonding）的方法实现芯片间的互联，示意图如下，

（图片来自https://www.quora.com/What-metals-are-generally-used-in-electrical-wires-cables）

借鉴金属打线的思路，人们提出了光学引线键合的方案，用于实现不同光芯片、芯片与光纤之间的互联。起到连接作用的“线”不再是金属，而是光波导，其示意图如下，

（图片来自文献1）

通过PWB将LD的出光口与硅光芯片的入光口相连，将硅光芯片的出光口与单模光纤相连。该方案避免了传统方案中耗时较多的对准调节，节省了光束整形所需的透镜等，并且制备简单快捷，利于大规模的生产。

该方案最早由德国Karlsruhe理工大学（KIT）研究小组提出，经过多年的努力，PWB的性能指标逐步提高。其基本思路为通过控制高能量的脉冲光束，使得光刻胶特定位置处发生多光子聚合作用，形成3维的聚合物波导，如下图所示。聚合物波导的尺寸根据光芯片光场MFD大小进行设计，进而实现光场从芯片A到芯片B的传输。

（图片来自文献1）

该方法与3d激光直写波导（可参看光芯片的材料体系比较）非常相似，区别在于所选取的材料，PWB的材料为光刻胶，形成波导后会清洗掉没有曝光的光刻胶，而激光直接波导通常所选取的材料为玻璃。

具体说来，PWB方案可以细分为如下步骤：1）将不同的光芯片放置在同一基片上。可以设计基片的形状，补偿不同芯片间的高度差。受激光写场（writing field）大小的限制，两个芯片间的距离不超过500um*500um*300um。2）使用丙酮、酒精等清洗光芯片，在需要互联的两芯片间沉积光刻胶。3）基于机器视觉技术，借助于marker识别需要互联的区域，曝光形成PWB。PWB的形状可根据芯片间的距离、MFD等参数做相应的调整。4）去除未曝光的光刻胶。

(图片来自http://www.vanguard-photonics.com/expertise/)

下图是两个芯片间PWB互联的结构图，

（图片来自文献2）

由于不同芯片的光场MFD差异，PWB的形状一般为弯曲的taper, 例如通过PWB尺寸的变小，将单模光纤的光场逐渐变小，最终转换为硅波导中的模场，如下图所示，

（图片来自文献1）

PWB的主要性能指标是插入损耗，目前激光器与硅波导间的插损为-0.4dB(文献3)，性能较好，其结构示意图如下，

（图片来自文献3）

单模光纤与硅波导间的插损较大，在-4dB左右，主要原因在于光纤中心位置与PWB的偏差。

由于PWB的材料是聚合物，其稳定性与可生产性需要进一步的验证，没有在文献中查找到相关的数据。目前掌握该技术的主要机构是德国的KIT大学，以及与其合作的vanguard photonics公司（http://www.vanguard-photonics.com）。

以上是对光学引线键合方案的介绍，该方案的想法非常简单，但技术瓶颈较高，需要多年的工艺积累。该方案能否脱颖而出，一方面需要进一步提高其性能指标，尤其是硅光芯片与光纤间的插损，其可靠性也需要进一步验证；另一方面还在于市场的需求，如果生产的数量非常大，该方案的优势非常明显，成本可进一步降低。

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参考文献：

1. N. Lindenmann， PhD thesis, "Photonic Wire Bonding as a Novel Technology for Photonic Chip Interfaces"
2. N. Lindenmann, et.al., "Photonic wire bonding: a novel concept for chip scale interconnects", Opt. Exp. 20,17667(2012)
3. M. Billah, et.al., "Hybrid integration of silicon photonics circuits and InP lasers by photonic wire bonding", arXiv 1802, 03454(2018)