基于玻璃基板和垂直耦合光束扩展透镜的倒装芯片光电子集成平台技术研究

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引言
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, O' p5 t7 j$ k2 J! u8 Q人工智能和机器学习技术的快速发展在数据中心内部产生了对更快数据处理能力的巨大需求。这种计算需求的激增将传统电子解决方案推向极限，需要结合光电子技术和电子技术的创新方法。在这一挑战中涌现出最具潜力的解决方案之一是光电共封装技术（CPO），将电路集成芯片和光电子集成芯片集成在同一封装内，实现卓越的性能和能效[1]。

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理解光电共封装技术及其挑战
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光电共封装技术代表了从传统可插拔收发器的根本转变，通过将光学组件直接引入与电子线路相同的基板上实现集成。这种集成方式提供显著优势，包括更快的传输速度和因电气连接缩短而降低的功耗。然而，成功实施CPO需要解决复杂的工程挑战，特别是在光电子集成芯片与其支撑基础设施之间建立可靠连接方面。
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& ]4 h2 N% G- D1 z传统的光学连接方法涉及光电子集成芯片与光纤之间的直接耦合，但这种方法创造了显著限制。光学通道数量受到光纤连接器物理尺寸和可用连接点的约束，导致数据传输速率出现瓶颈。这种限制被称为海滨密度问题，随着数据速率持续提升而变得愈发严重。
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# x+ n* t! n& X/ L图1展示了基于玻璃基板的光电子集成平台概念设计，显示光电子集成芯片如何靠近ASIC放置，光学连接扇出到基板边缘的光纤阵列。
2 y" n2 p3 E) U+ `玻璃基板作为集成基础
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8 m0 Y( b- K; D1 a这些论文代表了光通信和光子学领域的最新研究成果，展示了推动该领域发展的创新工作。每篇论文都为现代通信系统面临的挑战提供了独特的见解和解决方案。
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% `- E# }8 D0 c+ `$ }玻璃基板由于其独特性质而成为大规模光电子集成的理想解决方案。与传统有机基板不同，玻璃在热处理过程中表现出最小翘曲，并与硅组件保持优异的热膨胀系数（CTE）兼容性。这些特性使玻璃特别适合容纳多个集成芯片，同时保持精确的对准公差。

玻璃基板的多功能性超越了机械性能。玻璃可以同时支持电气布线和光波导，在单一平台上实现光电子功能和电子功能的真正融合。光波导可以通过多种技术直接在玻璃中形成，包括离子交换和飞秒激光写入，创建可在整个基板内进行三维路由的低损耗光学路径。
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图2的横截面图显示了玻璃基板的多层结构，包含电气布线、光波导，以及在沟槽中装配有VCBEL的倒装芯片光电子集成芯片的定位。
* q- w0 c/ s. }5 @倒装芯片键合中的对准挑战

. ~4 K3 T) A" P  o  h虽然倒装芯片键合提供优异的高频电气性能，但对光学连接提出了重大挑战。标准倒装芯片键合设备通常实现约±3微米的定位精度，这对电气连接不构成重大问题。然而，光波导耦合需要更精确的对准，通常在0.1微米的数量级。对准公差的这种不匹配意味着倒装芯片键合固有的定位不确定性可能导致灾难性的光耦合损耗，使传统直接耦合方法变得不切实际。
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这种对准挑战的严重性不容低估。即使3微米的对准偏差也可能导致光损耗严重到使光学连接实际上无法使用。倒装芯片键合公差与光学耦合要求之间的这种根本不兼容性一直是集成光电子系统广泛采用的主要障碍。
引入垂直耦合光束扩展透镜

对准挑战的突破性解决方案采用垂直耦合光束扩展透镜（VCBEL）的形式。这些创新光学组件通过扩展光束并垂直重定向来改变光电子集成芯片与玻璃波导之间的光耦合方式。VCBEL由复杂的自由曲面透镜结合专门设计的非球面镜组成，该镜面将来自光电子集成芯片的水平发射光反射向垂直方向，同时扩展光束直径。
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" q" H! K" p9 \) n& }图3原理图显示了VCBEL系统的组件，包括边缘耦合器、自由曲面透镜、非球面镜，以及光如何在光电子集成芯片和玻璃波导之间垂直重定向。
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3 z+ {6 y9 Q1 H# A4 r: cVCBEL工作背后的物理原理依赖于一个基本原则：对准公差与光束直径成正比。通过扩展光束，VCBEL显著增加了位置偏差的公差，同时保持有效的光学耦合。扩展的光束有效地为光学耦合创建了更大的目标区域，使系统即使在倒装芯片键合过程典型的±3微米定位不确定性下也能保持低损耗操作。
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除了对准公差外，VCBEL相对于光栅耦合器等替代耦合方法提供额外优势。由于VCBEL利用光电子集成芯片边缘耦合器结合微光学元件，表现出最小的波长依赖性，使其适用于包括粗波分复用（CWDM）系统在内的宽带应用。这种宽带特性相对于通常表现出强波长敏感性的光栅耦合器代表了显著优势。
制造和实施
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VCBEL的实际实施涉及适应半导体加工的复杂制造技术。在研究演示中，VCBEL采用双光子聚合3D打印技术制造，允许创建具有亚微米精度的复杂三维光学结构。这种制造方法能够形成优化光束整形和扩展所需的复杂自由曲面。

制造过程从在光电子集成芯片和玻璃基板中创建沟槽开始，使用精密蚀刻技术。对于光电子集成芯片，深度反应离子蚀刻（RIE）创建必要的腔体，而玻璃基板沟槽使用激光辅助蚀刻形成。然后直接在这些沟槽内制造VCBEL，确保与光学路径的精确对准。

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2 J0 O; O! v  ]  C; [图4照片显示了完整的光学开关模块，演示了光电子集成概念的实际实施，包含光纤阵列、光电子集成芯片和控制电子器件。
  W$ c+ g' k$ k. H9 }5 M6 ~实验结果和性能验证
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VCBEL方法的实验验证展示了卓越的性能成就。光电子集成芯片与玻璃波导之间的光学耦合实现了仅1.6 dB的典型损耗，代表了这种垂直耦合配置的优异效率。更重要的是，即使在±3微米的位置偏差下，系统仍保持小于0.1 dB的额外损耗，验证了放宽对准公差的基本设计原理。

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1 t5 c1 k+ k7 R. Y: T图5的扫描电子显微镜图像显示了倒装芯片键合过程的实际实施和真实操作条件下VCBEL对准的精度。(a)显示在玻璃基板上倒装芯片安装的光电子集成芯片的SEM图像；(b)显示光电子集成芯片下方与VCBEL光学连接的放大视图。
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波长依赖性测试在1260至1360纳米的O波段波长范围内显示出卓越的宽带性能，耦合效率在整个光谱范围内始终保持在-2 dB以下。这种宽带特性证实了VCBEL对多波长应用的适用性，并代表了相对于波长敏感耦合方法的显著优势。
8 i0 y/ O/ o) W5 a: F1 h8 k解决表面粗糙度挑战
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玻璃基板实施中的一个重要考虑涉及管理激光蚀刻沟槽的表面粗糙度。用于在玻璃基板中创建沟槽的激光辅助蚀刻过程可能产生平均值约400纳米、峰谷变化约2微米的表面粗糙度。这种与光学波长相当的粗糙度在光从空气传播到玻璃时可能导致显著的散射损耗。

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图6的仿真图表展示了表面粗糙度如何影响光学耦合效率，并显示使用树脂透镜与空气界面相比所实现的显著改善。

研究表明，树脂透镜为粗糙度问题提供了优雅的解决方案。当光从具有类似玻璃折射率的树脂透镜传播，而非从空气传播时，表面粗糙度的影响变得可忽略。仿真结果显示，虽然2微米粗糙度在从空气耦合时可能导致14 dB的损耗，但使用树脂透镜时相同粗糙度仅产生0.3 dB的额外损耗。这种显著改善是因为树脂填充了粗糙表面特征，有效平滑了光学界面。
光学性能特征

( \3 V# I+ S( H, u4 c+ }) kVCBEL系统的全面测试显示了令人印象深刻的性能指标，验证了这种方法的实际可行性。对准公差测量显示1 dB公差窗口扩展到±11微米，在倒装芯片键合的±3微米不确定性之外提供了充足余量。这个宽松的公差窗口确保了跨制造变化和热循环条件的可靠操作。
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* z4 \  w/ A/ M/ \' {图7显示了从1260到1360 nm宽波长范围内光电子集成芯片与玻璃波导间VCBEL的一致光学性能，展示了VCBEL方法的宽带能力。

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图8测量显示了VCBEL实现的宽对准公差，特别突出了在倒装芯片键合精度典型的±3 μm范围内的最小损耗变化。
系统级演示
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) D: \2 T1 B$ A  L/ H! Q0 W光电子集成概念的最终验证通过成功演示完整的光学线路开关模块实现。这个概念验证系统结合了在光电子集成芯片上制造的基于马赫-曾德干涉仪的光学开关，并通过VCBEL耦合与玻璃波导集成。系统演示了电气控制光学路由的能力，同时保持优异的光学性能。
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光学开关模块实现了令人印象深刻的规格，包括通道间约40 dB的串扰抑制，确认了光学连接的质量和不需要的杂散光的缺失。这种性能水平满足实际光学开关应用的要求，并验证了从概念到实施的整个集成方法。
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图9测量展示了集成光学开关的成功操作，显示输出端口间的清晰切换，具有优异的信号质量和最小串扰。
4 V- S0 z/ @5 p) A- S未来展望和制造考虑

虽然研究演示使用3D打印进行VCBEL制造，但实际实施将需要可扩展的制造方法。3D打印的个别特性使其不适合大批量生产，需要开发晶圆级或面板级制造工艺。有前景的替代方案包括灰度光刻和纳米压印技术，可以使用已建立的半导体制造工艺创建所需的自由曲面光学表面。
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树脂透镜组件的热稳定性已通过暴露于300°C处理温度而无显著降解得到验证，确认了与标准倒装芯片键合工艺的兼容性。这种热阻性为各种键合方法开辟了可能性，包括超声波键合和批量回流焊接，尽管需要仔细注意助焊剂污染和表面保护。
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0 V! ?1 T, l0 b( J- p9 m9 X. T玻璃基板与光电子系统的成功集成为先进应用开辟了路径，包括高密度光学开关fabric和用于人工智能加速器的大规模光电子集成。在玻璃基板内三维路由光信号的能力支持传统平面方法无法实现的复杂光学网络拓扑。

这一技术进步代表了向能够满足下一代数据中心和高性能计算应用严格要求的实用光电共封装解决方案迈出的重要一步。通过解决限制光电子集成的根本对准挑战，VCBEL能够实现具有性能和集成密度的新型光学互连系统。
# A/ w  I2 l$ K+ r参考文献
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[1] Y. Mizuno, K. Kobayashi, S. Nakamura, M. Migita, H. Arao, T. Nakanishi, H. Uemura, K. Tanaka, K. Uesaka, M. Miyairi, Y. Ishizuki, and Y. Kurita, "Flip-Chip Photonic-Electronic Integration Platform for Co-Packaged Optics Using a Glass Substrate With Vertically-Coupled Beam Expanding Lens," in 2025 IEEE 75th Electronic Components and Technology Conference (ECTC).
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