光电子集成芯片的光纤熔接封装技术介绍

逍遥设计自动化

引言
, c' K2 n- w' n% r. P在现代光通信和信息处理系统中，光纤与光电子集成芯片的连接是关键技术挑战。硅基光电子和氮化硅光电子技术利用CMOS制造工艺实现了光电器件的集成。光纤和硅基光电子芯片之间的高效耦合对实现集成光电子系统的完整功能具有重要意义。
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传统的光纤连接方法通常依赖体积较大的固定装置和光学粘合剂，这在低温应用中会受到限制。本文介绍一种创新的光纤熔接技术，可实现稳定且低损耗的光纤到芯片的封装[1]。

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% ~; A8 |' P- [$ Q波导结构与设计
# Z; {2 f4 N! d  L首先了解熔接实验中使用的波导基本结构。该平台由氮化硅（SiN）层构成，具有专门设计的尺寸以实现最佳光传输效果。
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图1：用于光纤熔接测试的波导结构示意图，显示平面图和立面图。
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实验设置
1 Q0 `+ Z9 y7 O% h熔接过程需要精密的对准和受控的激光加热。系统使用额定功率为10瓦的二氧化碳激光器，通过机械快门的脉宽调制来控制功率输出。

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$ t, p% q+ U( H' g8 Z8 g/ z图2：完整的光纤芯片熔接设置示意图。
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图中展示了熔接设置的组件布局，显示输入信号光纤如何与光波导芯片熔接，以及输出光纤的监测能力。

, l; |5 k6 j1 P' b工艺参数与优化
, C9 ]" R* G2 r光纤熔接的效果取决于多个关键参数，包括激光功率、施加力度和熔接条件。通过严谨的实验，研究人员确定了实现低损耗连接的最佳条件。
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6 h: g7 X5 m8 }1 I; B2 i图3：光纤熔接参数的综合评估，包括：(a)光纤与硅芯片熔接的显微照片，(b)耦合损耗与熔接激光功率的关系，(c)熔接前推力与耦合损耗的关系，(d)推力与熔接强度的关系。
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( N1 ~3 h7 |4 E性能与可靠性分析
熔接连接的长期性能和可靠性对实际应用非常重要。波长依赖性和温度循环效应为这种技术的稳定性提供了重要见解。
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% u4 p' c, J  [1 n+ P* {图4：性能测试结果：(a)跨波长范围的耦合损耗，(b)温度循环后的耦合损耗。

/ d2 R7 A4 n6 R* h' D# k- D技术优势与实施
这种熔接技术比传统方法具有多项优势。首先，无需在光纤-芯片接口处使用环氧树脂，减少了粘合剂退化带来的潜在问题。其次，工艺速度快，通常在一秒内即可完成，而传统的环氧树脂方法需要几分钟。
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5 l  S$ P! W, g) T" S! W! O+ h熔接参数的优化揭示了机械强度和光学性能之间的关系。增加熔接时的力度可以提高机械稳定性，但可能导致更高的光学损耗。因此，找到适当的平衡点对获得最佳效果非常重要。
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温度性能与稳定性
0 N/ D, m: V" o& g5 G1 |温度循环测试证明了该技术的稳定性，熔接样品在193 K到293 K之间进行多次循环后，性能降低很小。这种稳定性使该技术特别适合需要在宽温度范围内运行的应用。

关键参数与性能指标
光纤熔接的成功依赖于对以下参数的精确控制：
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激光功率（优化为1.0瓦以获得最小插入损耗）

曝光时间（通常为0.1秒）

熔接时的施加力度（优化为0.02牛顿）

光纤和芯片表面的物理接触
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, p, N2 R+ C( A9 m' b7 E6 @: j该技术展现了优异的性能指标：
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每个端面的耦合损耗减少0.5分贝

在120纳米波长范围内性能稳定

温度循环后性能降低很小（五个循环后仅增加0.3分贝）

应用展望
$ X! @: q; J  {8 y/ J: l( U这种方法在光电子封装技术领域代表了重要进展，可以创建稳定的光纤到芯片连接。在保持低光学损耗的同时具有良好的温度循环耐受性，适合苛刻环境或需要低温运行的应用。

6 s- h" D0 ]7 C& w- M2 y消除光纤-芯片接口处的环氧树脂不仅简化了工艺，还避免了粘合剂退化或热膨胀不匹配带来的潜在问题。这使得该技术特别适合需要长期稳定性和可靠性的应用。

参考文献
[1] Hutchins et al., "Fiber-to-Chip Packaging With Robust Fiber Fusion Splicing for Low-Temperature Applications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 36, no. 19, pp. 1209-1212, 1 Oct. 2024, doi: 10.1109/LPT.2024.3452039.

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