麻省理工Agarwal团队引领光子封装新纪元：自由形态耦合器实现高密度光互连

随着硅光子学从研究向商业部署的过渡，有效地将光耦合到高度紧凑且功能强大的亚微米硅波导中的封装解决方案势在必行，但仍然具有挑战性。220 nm 绝缘体上硅 (SOI) 平台有望实现大规模集成，是代工厂广泛采用的平台，从而形成了成熟的制造工艺和广泛的光子元件库。因此，开发针对该平台的高效、可扩展和宽带耦合方案至关重要。

麻省理工学院的ANURADHA AGARWAL教授及LUIGI RANNO教授所在团队发表了相关论文，提出了一种使用双光子聚合 (TPP) 和基于费马原理的确定性自由形式微光学设计方法，展示了一种在 220 nm SOI 平台上的标准 SMF-28 单模光纤与硅波导之间的超高效、宽带 3-D 耦合器接口。该耦合器实现了 0.8 dB 的低耦合损耗，1-dB 带宽超过 180 nm。宽带操作支持从通信到光谱学的各种带宽驱动应用。

硅光子学因其在高度可扩展制造方面的固有优势，影响了量子光学、神经形态计算、光通信、光谱学和传感等多个应用领域。通过利用硅与其二氧化硅包层之间的高折射率对比 (Δn ~ 2)，该平台实现了密集集成。还利用硅的高热光系数、高速载流子调制能力以及与快速高效的锗基光电探测器的单片集成实现了有源功能。此外，硅光子学还利用了为电子工业开发的成熟 CMOS 制造工艺，在光子学领域中占据了无可争议的领先地位。

近年来，由于硅光子电路日益复杂和功能化，以及在制造可扩展性方面的关键优势，我们目睹了硅光子学的不断商业化部署。然而，光子封装正逐渐成为一个主要瓶颈。光子封装通常需要低吞吐量的定制工具和主动对准操作。因此，该过程占光子模块总成本的 80%。光子封装的高成本主要归因于光耦合进出光子电路的难度。这是由于高折射率对比波导和光纤之间存在较大的模式场失配，这给高通量、低损耗耦合方案的实施带来了重大障碍。涉及边缘耦合或光栅耦合的传统方法都有其各自的局限性。

例如，边缘耦合器只能放置在相当有限的芯片海岸线上，妨碍了芯片面积的充分利用，并施加了严格的设计限制（例如，对接触焊盘定位的限制）；

(ii) 尽管已经提出了一些解决方案，但很难在晶圆级进行测试；

(iii) 通常需要与被动对准方法不兼容的亚微米对准公差。另一方面，光栅耦合器由于光学衍射固有的波长敏感性，通常效率不高并且表现出很强的波长依赖性。从更广泛的角度来看，普遍存在的 I/O 问题可能会损害光子系统的竞争优势，因为高耦合损耗会增加光子链路功率预算和整个系统的整体能耗。因此，解决光子封装瓶颈仍然是该领域紧迫的挑战之一。克服上述限制将能利用现有的电子封装基础设施来大幅降低成本。

双光子聚合 (TPP) 已被提出作为一种潜在方法，可为集成光子学提供有效的耦合策略。释放第三几何维度作为额外的自由度，使 TPP 能够独特地生成具有亚微米对准精度的复杂 3D 设计，同时与晶圆制造完成后进行后端集成兼容。此外，TPP 编写的结构在光子组装过程中具有光机械对准优势。开创性工作已证实 TPP 是一种可行的技术，随着稳健且多功能的光子封装的日益商业化部署，已经证明了波导与其他波导、激光器、自由空间和光纤的光学耦合。

这项工作解决了有关硅波导可扩展芯片到光纤光耦合的几个突出方面：

1) 使用 Nanoscribe双光子聚合TPP 技术和 IP-n162 树脂，通过 Photonic Professional GT2 系统以 60 mW 的平均激光功率和 100 nm 和 200 nm 的孵化/切片距离进行打印，已经展示了用于代工厂制造的硅波导的高效自由形式耦合器，耦合损耗低至 0.8 dB。耦合器基于光学反射进行操作，并通过费马原理进行设计。虽然衍射和折射表现出固有的波长依赖性，但光学反射构成了一种与颜色无关的现象，可在全内反射 (TIR) 状态下引起超低光损耗。

2) 硅波导到光纤的自由形式耦合器与包层波导兼容，从而实现代工厂兼容性。在上述示例中可以明显看出，自由形式耦合器迄今尚未解决这方面的问题。

3) 与光纤以一定角度（即 9°）耦合的光栅耦合器不同，本文中的光纤是表面法线的。随着硅光子电路集成度的不断提高，在单一平面内容纳高密度的电输入/输出 (I/O) 将面临越来越大的挑战。当光纤垂直耦合到硅波导到光纤自由形式耦合器时，这种情况将得到缓解。此外，可以垂直光纤耦合的能力意味着与电子封装中使用的标准对准工具兼容。

4.) 自由形式耦合器对光纤未对准具有高度弹性。这大大降低了光子封装所需的精度，从而可以使用来自电子封装的标准拾放工具和工艺。此外，耦合器还可耐受制造变化。

5.) 反射器在高达 250 °C 的温度下表现出良好的结构弹性，表明与回流焊兼容。

6.) 耦合器的宽带宽实现了影响深远的波长多样化应用，例如神经形态计算、波分复用 (WDM) 通信或光谱传感。之后，我们提出了一种方法，可以实现反射器的大规模封装，以实现弹性光纤或光纤阵列粘合，这与该技术的实际部署相关。

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