微透镜在光电子集成芯片上的应用实现了灵活封装和光学隔离器集成

逍遥设计自动化 · 发表于前天 08:01

引言
光电子集成芯片(PIC)在光子技术领域取得了突破性进展，使得在单个芯片上集成众多光学功能成为现实。然而，只有解决了封装过程中的重要挑战，才能充分发挥PIC的潜力。本文探讨了微透镜如何解决PIC封装中的关键问题，特别是在提高耦合效率、增加工作距离以及实现难以单片集成的器件混合集成方面的应用[1]。

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光电子集成芯片封装面临的挑战
封装成本占光电子器件总生产成本的很大一部分。高封装成本主要受几个关键因素影响。首先，保持高耦合效率需要精确对准，这在高产量制造环境中极具挑战性。其次，有限的工作距离使得与可插拔连接器的直接接口变得复杂，给可扩展封装解决方案带来挑战。第三，尽管异质集成技术取得了进展，某些功能如薄膜滤波器、环形器和光学隔离器在PIC上的单片集成仍然困难。其他重要方面包括热管理、机械稳定性和跨不同技术平台的工艺兼容性。

传统的耦合方法，如光栅耦合器和边缘耦合器，各有优势但仍存在局限性。光栅耦合器易于集成且支持晶圆级测试，而边缘耦合器通常提供更高的耦合效率、更宽的带宽和更低的偏振敏感性。然而，这两种解决方案与单模光纤接口的横向对准容差有限——光栅耦合器通常为±2.5 μm，边缘耦合器甚至更低。此外，工作距离接近于零，要求光纤必须靠近耦合结构。

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微透镜在PIC上的集成策略

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图1：微透镜在PIC上的不同集成可能性示意图，包括(a)扩展光束耦合以获得宽松的对准容差，(b)长工作距离的光纤-PIC接口，(c)模式尺寸匹配（例如边缘耦合器和单模光纤之间），以及(d)在扩展光束路径中混合集成厚外部元件。

微透镜提供了一种有效解决方案，通过放宽横向对准容差并延长工作距离，简化了光学耦合和封装过程。如图1所示，微透镜可以通过多种方式与PIC集成。

微透镜集成有三种主要方法：
可以在背面单片集成微透镜，与向下方向的光栅耦合器对接。
可以在器件侧面上方安装独立的透镜块，与向上方向的光栅耦合器对接。
可以在PIC侧面安装独立的透镜块，与边缘耦合器对接。
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这些集成方法实现了几个关键应用。扩展光束耦合可放宽横向对准容差，微透镜能够准直光栅耦合器发射的光束或将准直光束聚焦到光栅耦合器上。这大大提高了横向对准容差——从直接光纤到光栅耦合的±2.5 μm提高到使用30 μm扩展光束的±7 μm，甚至使用130 μm扩展光束的±31 μm。

长工作距离光纤-PIC接口可延长至几毫米，便于可插拔连接器的开发。接口光束的光腰可选择足够大（如30 μm直径），以保持宽松的横向对准容差。模式场直径匹配使微透镜能够将边缘耦合器的小模式场直径（约2.5 μm）转换为与标准单模光纤兼容的更大光斑，放宽了对准要求。

外部功能的混合集成是另一个优势。相对较厚的自由空间光学元件（几百微米到几毫米）可以集成在带透镜的PIC和光纤阵列之间的光路中，实现难以单片集成功能的混合集成。

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微透镜制作与转移方法
单片和独立透镜制造的选择取决于多个因素。必须考虑应用特定需求，因为在硅基板中单片集成的透镜可保持器件侧清洁，这对传感或3D集成有益。然而，这需要具有良好向下方向性的光栅耦合器。制造考虑也起着重要作用，单片集成允许精确的晶圆级对准，但对单个PIC或小尺寸晶圆片具有挑战性。独立制造的透镜块提供更多材料灵活性，与多项目晶圆服务提供的PIC兼容性更好。

透镜设计始于高斯光学理论，使用ABCD传递矩阵方法。对于由单一材料制成的简单准直透镜，焦距由f = nR/(n-1)给出，其中n是透镜的折射率，R是其曲率半径。

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图2：(a)实现带透镜PIC的基本工艺流程。(b)-(c) SEM显微照片显示回流前后的光刻胶圆盘。(d)测量的微透镜轮廓，以及拟合曲线与最佳拟合圆的偏差，表明其近乎球形的形状（提取的曲率半径310μm；只有透镜中心部分的测量数据可用，以阴影区域标记）。插图显示光学轮廓仪扫描（假彩色梯度表示z坐标），指示通过透镜中心的截面位置。

如图2a所示的基本制造工艺包括几个步骤。首先，在适当的基板（如玻璃或硅）上旋涂正性光刻胶（通常厚5-15 μm）。然后使用光刻技术定义所需直径的圆柱体（通常150-250 μm）。这些结构随后在热板上回流（通常150°C下5分钟）以形成球形透镜。可选择将透镜转移到基板中以提高耐久性，使用具有1:1选择性的ICP RIE工艺。图2d所示，透镜轮廓可以使用光学干涉轮廓仪进行表征，确认了其几乎完美的球形形状。

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长工作距离对准容差宽松的光纤-PIC耦合器

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图3：(a)展示带透镜的波导环回测试结构和长工作距离扩展光束接口的演示配置。光束在透镜处（即125 μm）和扩展光束光腰处（即30 μm）的直径以斜体标示。(b)通过在PIC和MTP连接器上安装微透镜块实现的长工作距离接口照片。(c)完整带透镜光纤-PIC波导环回（2个接口）的耦合效率光谱与相同无微透镜环回的比较。(d)横向，(e)纵向和(f)角度失准对耦合效率的相对影响（所有情况下均为1308 nm峰值波长）。

长工作距离耦合器设计对称，在带有光栅耦合器的PIC和MTP连接器上集成相同的微透镜阵列，如图3a所示。优化设计采用曲率半径为310 μm、直径为225 μm和基板厚度为980 μm的聚合物微透镜。该设计实现了接近100%的耦合效率（模拟中），光束在透镜表面扩展到125 μm，然后重新聚焦，在透镜前方约2 mm处形成30 μm的光腰。

光纤-PIC接口通过在硅-绝缘体波导的PIC和MTP连接器上安装微透镜块实现。该接口在优化工作距离3.8 mm处示范了-9.0 ± 0.4 dB的峰值耦合效率，每个接口因透镜集成仅增加0.85 dB额外损耗。系统显示出改进的横向对准容差，14 μm内的横向失准对完整环回的耦合效率影响限制在2 dB以内。纵向容差也得到增强，0.8 mm的失准仅造成效率2 dB的影响。单个带透镜接口的角度对准容差为±0.9°，相比直接光纤接口的±2.5°。这些结果展示了长工作距离扩展光束接口在放宽光子封装容差方面的潜力，特别适用于可插拔连接器应用。

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光学隔离器的集成

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图4：(a)展示带透镜的波导环回测试结构、长工作距离扩展光束接口和隔离器堆栈的演示配置。(b)长工作距离接口光束路径中安装的隔离器堆栈照片。(c)输入光束路径有无隔离器堆栈的完整带透镜光纤-PIC波导环回（2个接口）的耦合效率光谱。(d)隔离器插入损耗和消光比随波长的变化。（FR：法拉第旋转器，HWP：半波片）。

长工作距离接口还使外部组件的集成成为可能，如图所示，通过在C波段集成光学隔离器进行了演示。隔离器堆栈由偏振器（0.55 mm厚）、非互易法拉第旋转器（485 μm厚膜）和半波片（91 μm石英，22.5°光轴角）组成。在前向方向，沿偏振器方向偏振的光通过后，其偏振被法拉第旋转器旋转+45°，然后被半波片再旋转+45°，形成与TE光栅耦合器高效耦合的TE偏振。在后向方向，偏振被旋转垂直于偏振器，阻挡了光线。

隔离器集成实现了出色的性能，包含隔离器仅增加1.2 dB额外插入损耗。系统在目标1540 nm波长处展示了-20 dB的消光比，以及80 nm的1 dB带宽，远大于光栅耦合器带宽。这证明了集成难以单片集成的外部光学组件的可能性，同时性能损失最小。

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结论
微透镜与PIC的集成提供了解决关键封装挑战的多功能解决方案。所展示的应用案例突显了该平台在实现具有宽松对准容差的长工作距离接口以及实现外部光学组件混合集成方面的能力。这些方法为光子封装提供了显著优势，有助于降低成本并扩展实用PIC系统的功能。该平台为克服PIC封装中的当前限制提供了解决途径，特别适用于需要对准容差、工作距离灵活性和专用光学组件（如隔离器）集成的应用场景。

参考文献
[1] J. Missinne, R. Verplancke, Y.-T. Chang, and G. Van Steenberge, "Microlenses on photonic integrated circuits enable flexible packaging and optical isolator integration," Optics and Laser Technology, vol. 189, p. 112940, May 2025.
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