硅光芯片的耦合封装

这篇笔记整理下硅光芯片的耦合封装方案。硅光芯片的耦合器主要分端面耦合和光栅耦合两种，对应的封装方案可谓五花八门，这里选取一些典型的方案。Intel选取了片上异质集成激光器的方案，因而不存在耦合封装这一问题。

1. 端面耦合

a) IBM方案

关于IBM的耦合封装方案，之前的笔记IBM的硅光封装方案介绍过。IBM走的技术路线是端面耦合，并结合它们自己的foundry，开发了两种对应的耦合封装方案。其一，如下图所示，

（图片来自文献1）

在硅光芯片端面处进行刻蚀，形成V型槽阵列，用于放置光纤阵列。绿色小长方体是聚合物lid, 将其压在FA上，使得FA落入V型槽中。每根光纤的位置可进一步精细调节，使光纤完全落入V型槽中，达到最优的耦合效率。

另一种方案借助于聚合物波导，如下图所示，聚合物波导充当单模光纤与硅波导之间的桥梁，光从单模光纤耦合进聚合物波导，再由聚合物波导耦入硅波导中。

（图片来自文献1）

b) Interposer方案

该方案与IBM的方案二类似，采用二氧化硅制成的PLC波导作为interposer，将光纤里较大模斑转换为较小的模斑，再耦合进硅光芯片中, 如下图所示。下图中的中间物体即为PLC interposer。

（图片来自http://www.plcconnections.com/silicon.html）

c）Lensed-fiber方案

该方案采用lensed fiber进行耦合，实验室中大都采用该方案。lensed fiber的MFD只有3um左右，可以与硅波导有效地耦合，如下图所示，

（图片来自https://fiberphotonics.com/technology/fiber-lens-coupling/）

d）Photonic wire bonding方案

采用激光直写的方式形成3维的聚合物波导，用于连接光纤和光芯片，如下图所示。关于PWB的细节，可参看光学引线键合技术 (photonic wire bonding)

（图片来自http://www.vanguard-photonics.com/project_tag/photonic-wire-bonds/）

e）Flip-chip方案

在硅光芯片边缘处刻蚀并生长几个Si柱，用于支撑DFB激光器，然后将DFB倒装到硅光芯片上，如下图所示，

(图片来自https://www.mdpi.com/2304-6732/2/4/1131/htm)

2. 光栅耦合

a）斜切光纤方案

采用斜切40度的光纤，光场经过斜面的反射，以使得光耦合进grating coupler中， 如下图所示。

（图片来自文献2）

b) Chiral Photonics方案

Chiral Photonics公司采用特殊的工艺，将pitch为127um的FA制成间距只有几十微米的二维光纤阵列，然后与芯片上的focused grating coupler进行耦合。该方案适用于需要多通道输入的情景。下图展示了37个通道，光纤pitch为40um的情况。

（图片来自文献3）

c) Micro-optical bench方案

该方案借助于微透镜、棱镜等光学元件，将DFB激光器中的光场耦合进芯片中，激光器、透镜等元件放置在一个bench上，如下图所示，

（图片来自文献4）

Luxtera公司采用的是类似的方案，如下图所示，

(图片来自http://www.uni-kassel.de/projekte/fileadmin/datas/projekte/sequoia/02_ECOC2014_WS1_-_Peter_De_Dobbelaere_-_Luxtera_ER_.pdf)

总体说来，端面耦合器需要解决的问题是模斑尺寸的匹配，而光栅耦合器由于需要特定角度入射光，主要需要解决光路偏折的问题。不同公司选择的技术路径各一， 各显神通。耦合封装与光芯片的设计密切相关，也需要结合EIC的封装整体考虑。成本，良率，耦合效率，是否可大规模生产，这些也都是需要考量的因素。

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. P. Fortier, et.al., "Automated High-Throughput Assembly for Photonic Packaging"
2. P.O‘Brien, "Packaging of Integrated Photonic Devices"
3. D. Neugroschl，"Optical Input / Output Considerations for Photonic Integrated Circuit Coupling & Packaging”
4. Lee. Caroll, et.al., "Photonic Packaging: Transforming Silicon Photonic Integrated Circuits into Photonic Devices"