硅光耦合封裝新方案：熔接光纖與硅光芯片

  硅光耦合封裝新方案：熔接光纖與硅光芯片

  這篇筆記介紹一篇最近的硅光封裝進(jìn)展。美國(guó)羅切斯特大學(xué)研究小組最近報(bào)道了一種新型的硅光芯片耦合封裝方案 Optica 6, 549(2019)，即使用熔接的方法將光纖與端面耦合器連接，耦合損耗為1dB。文章的鏈接為https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-5-549 。

  耦合封裝是硅光產(chǎn)品大批量生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一。能否實(shí)現(xiàn)快速、低成本、高耦合效率的硅光芯片封裝，直接決定了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。Rochester大學(xué)的新方案，其結(jié)構(gòu)示意圖如下，

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  耦合器為懸臂梁型端面耦合器，懸臂在芯片外凸出一部分，用于和光纖連接。通過CO2激光器的照射，SiO2懸臂和裸纖熔接在一起，SiO2懸臂與光纖之間形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵。SiO2強(qiáng)烈吸收10.6um波長(zhǎng)的光。實(shí)驗(yàn)中CO2激光器的功率為9W, 照射時(shí)間為0.5s。

  實(shí)驗(yàn)中他們采用的SiN taper作為耦合器，光場(chǎng)從SiN波導(dǎo)中轉(zhuǎn)換成SiO2懸臂的波導(dǎo)模式，進(jìn)而再耦合到單模光纖中，其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。懸臂凸出部分的長(zhǎng)度為10um，寬度從12um變?yōu)?4um。

(圖片來自文獻(xiàn)2)

  SiN taper尖端的寬度為180nm， taper長(zhǎng)度為100um。研究人員計(jì)算了該方案的容差，1dB的容差約為+/- 2.4um，如下圖所示，

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  實(shí)驗(yàn)中，他們測(cè)得熔接完之后，耦合損耗約為1.3dB, 此時(shí)再采用折射率為1.3825的膠水，耦合損耗可降低至1dB，如下圖所示，

(圖片來自文獻(xiàn)1)

  相比于現(xiàn)有的耦合封裝方案(可參看硅光芯片的耦合封裝)，光纖熔接的方法顯得特別簡(jiǎn)單，既不需要額外的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(V-groove, 聚合物，interposer等)，也不需要特殊的光纖(斜切光纖，二維光纖陣列等)。唯一需要的是一個(gè)高功率的CO2激光器。該方案成本低，不需要復(fù)雜的工藝流程，有望實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。目前實(shí)驗(yàn)中仍然需要一個(gè)可見光激光器，用于光纖和懸臂間的對(duì)準(zhǔn)。如果能做到passive alignment, 將會(huì)是更大的進(jìn)步。另外一點(diǎn)，如果是光纖陣列的耦合，工藝該如何改進(jìn)?目前CO2出射的激光是通過透鏡聚焦到SiO2和光纖的界面上，這可能是實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)。

  參考文獻(xiàn)：

  1. J. Nauriyal, et. al, "Fiber-to-chip fusion splicing for low-loss photonic packaging", Optica 6, 549(2019)