硅光芯片的无源封装技术

昨天在朋友圈看到一个图，并借用2017年IBM的一个硅光耦合的图来解释“无源封装”技术

我再写一下什么叫无源封装，或者叫无源耦合。在合集2020第76页有过一些简单的描述。

在我汇总的一个硅光行业报告中，有较为详细的分类解析。

我自己来恢复一下这个图，这个图的含义包括了电学、光学和热学

电学：硅光芯片和两个浅蓝色的模拟电芯片的电信号连接内容，需要3D堆叠封装，与高频信号损耗有关。

光学：光纤阵列宽度，耦合容差，以及硅波导的SSC模斑转换，IBM在2017年版本的基础上2020年做了优化，改为倏逝波耦合，结构写在硅光行业报告的第187-188页。

热学：对接耦合需要考虑Z轴的一致性与损耗。

在硅光芯片上刻蚀V型槽，能起到三维限位的作用，V型槽的宽度间距和光纤间距一致，产业链大约分为两大类，一大类是250μm，另一大类是减包层后的特殊间距，约在160μm左右。

优化后的倏逝波耦合，要有一段扇入扇出，硅波导间距不用V型槽，而改为50微米间隔，用于降低Z轴翘曲、对准精度、耦合损耗等几个方面的影响。

只看一个光纤，通过V型槽对准硅波导的SSC转换，精度很高。

如果是阵列，就比较麻烦。

早期，V型槽是玻璃基板刻蚀，与硅波导做耦合。毕竟是两个器件，XYZ以及倾斜度，对于整体的耦合损耗控制比较难。

用“无源”耦合方式，行业报告的第194-195页，可以通过边沿两侧的波导，在硅光芯片不通电的情况下，可进行前期对准。通过两边的光纤，一个外部耦合光源进入，结合硅的环波导，继而从另一侧光纤输出，在耦合设备处放一个探测器，通过探测器的电流峰值状态，就能知道耦合效率的最高点。

如果考虑到多个光纤的耦合损耗分布，上述的无源耦合并不能解决损耗一致性的问题。

我们理想的光路对接是下图这样的，4个/8个/16个/32个，每个间距250微米，总计好几个毫米的状态下，他们的波导高度都一致。

但是现实可能做不到，比如硅光芯片是需要电信号引入引出的，那么焊接时的局部高热，会引起芯片的翘曲，虽然宏观上产生的Z轴高度差异很小，几个毫米长，只有千分之一的高度变化，几个微米而已。要知道咱们单模光纤的波导直径也是几个微米，Z轴翘度会导致很大的损耗不均匀。

这个时候面临的困境，即使是“无源”耦合，也会导致部分通道耦合损耗极大的隐患。

解决方案有几种，第一种在硅基板上刻蚀V型槽，可缓解分立结构的翘曲不一致，第二种在对接两侧采用准直透镜，扩大尺寸冗余度，第三种是采用对称透镜将XY平面耦合，转换为Z向对准，第四种将对接耦合改为倏逝波耦合，不再依赖Z轴高度的亚微米精度的一致性。

第一种方案是直接在硅光芯片上刻蚀V型槽，对于Z轴翘曲的容忍性，比分立器件好很多。

审核编辑：刘清