基于玻璃基板的混合光子集成系统

前面笔记介绍过康宁在Glass Interposer方面的进展(OFC2022: 康宁的Glass Interposer封装方案)，有两位读者在微信群里留言问到是否其他机构在开发类似的技术。小豆芽这里介绍下德国Fraunhofer IZM在玻璃基板的相关工作，供大家参考。

Fraunhofer IZM研究组认为基于玻璃的光子集成系统是解决带宽增大、通道数变多的核心技术。他们首先比较了玻璃、聚合物、硅这三者的优劣，如下表所示，可以看出无论光学还是电学性质，玻璃都是优于聚合物和硅材料的。

(表格来自文献1)

Fraunhofer IZM采用与康宁类似的离子交换(ion-exchange)工艺，制备glass波导，工艺步骤如下图所示，

（图片来自文献2）

首先在玻璃上沉积一层金属(步骤b)，然后通过激光直接成像(laser direct imaging)的方法进行光刻(步骤c和d)，接着将芯片浸泡在含Ag离子的盐溶液里，银离子扩散进玻璃中(步骤e和f)，形成折射率渐变(gradient index)的光波导。该波导的传输损耗为0.059dB/cm。

基于该低损耗的玻璃光波导，Fraunhofer IZM提出了两种混合封装集成的方案，

1）Thin glass layer 该方案采用一层较薄(百微米量级)的玻璃层，玻璃中含有用于光信号routing的波导，如下图所示。整个板子称为EOCB(electric-optical circuit board)， 板子上还包含其他电学元件、光学元件，例如LD/PD等。Glass波导在这里扮演了光纤互联的角色，连接EOCB上不同位置处的光器件。

（图片来自文献1）

在该玻璃基板上还可以进一步加工多层金属，实现电信号的互联，形成更复杂的光电混合系统，如下图所示，

（图片来自文献1）

芯片的cross-section如下图所示，在波导的上下都刻蚀了cavity，便于与外部的光纤互联。

（图片来自文献2）

2) Glass Board

该方案采用厚度为毫米级的玻璃，较厚的玻璃基板上可以放置多个光学组件和电学元件，基板内也含有光波导和金属用于信号的互联，如下图所示。

（图片来自文献1）

采用激光加工玻璃夹具，并配合一个含有SSC的玻璃芯片，可以实现亚微米级的对准精度，耦合损耗只有0.5dB, 如下图所示，

（图片来自文献1）

基于该glass board方案，可以实现小型的光学sub-assembly系统，如下图所示，在一个较小的glass board上集成了激光器、PD以及相应的电学元件。这样的子系统可以放置到另一个大的玻璃基板上。

（图片来自文献1）

该方案可以实现多颗芯片封装在一起的panel级系统，如下图所示，

（图片来自文献1）

简单总结一下，Fraunhofer IZM正在推进两种基于玻璃基板的封装方案，glass board方案更多的为了实现高精度和高稳定性的assembly, 将芯片或者子模块贴装到玻璃上。Glass layer方案有点类似康宁的glass interposer方案，利用玻璃波导在基板内传递光信号。玻璃基板方案目前还处于比较初级的阶段，需要更多的工艺开发与积累，这可能是研究机构与公司的区别。如何发挥玻璃基板低光学损耗、低RF损耗的优势？如果该基板方案可以解决一些用户的痛点，相信该技术会推动的更加迅速，例如康宁瞄准的CPO领域。

文章中如果有任何错误和不严谨之处，还望大家不吝指出，欢迎大家留言讨论。

参考文献：

1. H. Schroder, et.al., "Hybrid photonic system integration using thin glass platform technology", Journal of Optical Microsystems 1,033501（2021）
2. H. Schroder, et.al., "Electro-optical backplane demonstrator with integrated multimode gradient-index thin glass waveguide panel", Optical Interconnects XV 2015