光子集成电路封装的先进光学集成工艺

作者：Keuntae Baek, Minhyeok Kim, Hak-Sung Kim, Jinho Ahn, Hongyun So

摘要
光子集成芯片封装是一种将光学元件集成到设备中的前景技术，能够实现高速数据传输、宽带宽、低延迟和高能效。该技术有望克服传统电子元件技术的局限。特别是，近期高性能半导体、量子计算和数据中心的发展对高速数据处理和传输提出了更高要求。为满足这些需求，器件封装开发聚焦于实现小型化、高效率和卓越性能。光子集成芯片封装正是满足这些需求的极具前景的解决方案。本综述讨论了在组件级、芯片级和系统级上光子集成芯片封装的最新进展。同时强调了当前面临的问题与挑战，并展望了未来发展前景。

1 引言
集成电路作为现代设备的核心组件，是当前工业不可或缺的关键技术。自贝尔实验室发明双极结型晶体管以来，半导体技术[1]取得了显著进步。特别是互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的发展进一步加速了半导体产业的进程。然而，尽管发展迅猛，未解决的技术挑战（如大间距、低良率、高延迟、高能耗和低可靠性）阻碍了半导体技术在实际应用中的无缝应用[2, 3]。为此，必须开发小型化、高可靠性且低功耗的半导体芯片。因此，许多研究者致力于实现半导体芯片的高可靠、高密度集成和小型化。随着这些研究的推进，戈登·摩尔提出了摩尔定律，即集成电路中的晶体管数量每两年翻一番[4]。在半导体技术的不懈进步下，摩尔定律一度看似成立。然而，当前的技术挑战使得集成极限受到质疑，难以持续维持该定律[5, 6]。因此，“超越摩尔”（Beyond Moore）的概念被提出以克服这些限制。面对集成限制的研究者将其研究方向分为三种路径：“更多摩尔”（More Moore），强调沿着传统技术路线集成芯片和提升性能；“超越摩尔”（More than Moore），旨在通过异质集成堆叠芯片来突破现有极限；以及“超越CMOS”（Beyond CMOS），涉及开发超越现有技术范畴的新型计算元件[7]。

这些方法提供了多样化的应用。例如，“更多摩尔”和“超越摩尔”方案可分别应用于现有半导体技术和量子计算领域，而“超越CMOS”可应用于下一代逻辑与存储器件、先进图形化与关键工艺步骤、3D系统集成、先进纳米互连以及神经形态与量子计算。

根据其组成元件，集成电路可分为由电子元件组成的电子集成电路（EIC）和利用光的光子元件组成的光子集成电路（PIC）。在封装方面，EIC遵循“更多摩尔”原则，通过减小芯片尺寸和增加I/O密度而发展。因此，EIC封装技术已从基本的单芯片封装发展到更先进的形式（例如嵌入式多芯片互连桥（EMIB）、再分布层（RDL）和中介层），实现了在单个基板上各种芯片间的电气连接（2D、2.1D、2.3D和2.5D封装）[8]。面对2D集成的限制，业界引入了3D封装技术，这是一种通过垂直堆叠芯片来克服2D集成限制的异质集成形式。然而，异质集成带来了耐久性问题，例如由于上下基板之间热膨胀系数（CTE）差异导致的翘曲和开裂[9]。这些问题仍未解决，构成持续挑战。

此外，遵循“更多摩尔”原则，研究人员正利用纳米级制造技术提升EIC集成度。然而，当电路缩小到纳米尺度时，诸如电阻增加、漏电流增大以及互连扩展极限等挑战随之出现[10, 11]。虽然已有研究尝试通过使用多处理器进行并行计算来克服单处理器集成极限，但EIC中未解决的互连瓶颈继续限制着集成电路的性能，甚至在多核芯片的并行计算过程中也构成挑战[12]。

为应对此问题，人们利用了具有长距离高速数据传输、宽带宽、低延迟和高能效特点的PIC。凭借这些优势，将EIC和PIC集成有望有效解决互连瓶颈问题。将PIC和EIC集成到单个封装中称为共封装光学（Co-Packaged Optics），主要可分为两种方案：单片集成[13]和混合集成[14]方案。单片集成涉及将PIC和EIC集成到单个芯片上，具有简化封装和提高互连性能的优点。然而，该方法面临高工艺成本、可扩展性有限以及进一步开发制造工艺困难等挑战。相反，混合集成的发展轨迹与EIC封装类似。在此方法中，EIC和PIC芯片以2D或3D（异质集成）结构集成在单个基板上。与单片集成相比，混合集成具有出色的可扩展性和较低的工艺难度，因为各个芯片可以使用现有工艺设备单独制造和集成。此外，当器件失效时，可以单独更换每个芯片，维护简便。然而，由于芯片是单独集成的，光子组件之间的精确对准至关重要；对准失准会导致巨大的光损耗。由于每个芯片的精确对准方法涉及复杂工艺，要实现量产和工艺自动化，额外开发精确对准方法至关重要。因此，PIC的封装技术需要进一步发展才能实际应用，其集成相关挑战与EIC封装技术所面临的类似。

本综述旨在讨论实现下一代芯片封装的光子集成芯片封装的发展。图1展示了根据互连尺度（组件级、芯片级和系统级）分类的PIC芯片封装，分为三类：组件级光子集成、光子芯片封装和光电共封装。我们将按此分类顺序讨论PIC芯片封装。首先讨论在光学组件级别上PIC芯片的基本光学连接方法。接着介绍应用于各种光学器件的芯片级光子芯片封装方法。然后介绍将PIC和EIC一起封装的光电共封装方法。最后，讨论PIC芯片封装当前面临的挑战和未来展望。

(图1说明：光子集成芯片封装示意图，根据集成尺度分类。)

2 组件级光子集成方法
2.1 光纤到芯片集成
在芯片级别上，基于光学的互连研究正积极展开，以促进海量数据的快速高效传输。为有效利用基于光互连的优势，将光纤传输的光高效耦合进出芯片至关重要。在众多实现高效耦合的技术中，最基本的方法之一是将光纤耦合到芯片。光纤到芯片集成最关键的问题是最大限度地减少耦合损耗。因此，本节旨在阐明实现高效光纤到芯片集成的常用耦合方法。

2.1.1 3D聚合物耦合
如图2a所示，利用3D聚合物结构作为耦合器，有效连接宏观光纤和纳米级波导[15, 20]。它们通常包括两部分：锥形区域和球面区域。锥形区域扩展光模式，提供从波导模式到在锥体内自由传播光束的过渡。球面区域与全反射平面结合，将光束引导出芯片平面。为制造常见的3D聚合物结构，采用先进的双光子光刻直写系统（如使用IP-Dip光刻胶），切片和填充间距各为100 nm[15, 21]。

在某些情况下，使用与典型3D聚合物结构略有不同的3D结构。与传统的3D聚合物结构类似，这种结构具有一个锥形区域，其中波导从芯片平面以特定角度弯曲，以及一个用于聚焦出射光束的球面透镜部分。然而，与仅由球面组件组成的3D聚合物结构不同，该结构在前端有两个支撑梁，从芯片表面向上延伸[20]。这些支撑梁补偿了向上弯曲结构的机械扭矩，同时对散射损耗和耦合效率影响极小。

此外，还开发了缺少球面透镜区域的3D耦合器结构[22]。这种3D自由曲面耦合器具有由聚合物组成的灵活设计结构，通过双光子聚合直写光刻实现。该结构可分为四个部分。第一部分通过逆锥形设计实现从硅波导（SiWG）到聚合SU8波导的模式转换。第二部分通过离面配置的欧拉弯曲波导将光传输从水平方向转换为垂直方向。第三部分作为锥形波导到光纤模式转换器，使用方形对称锥体扩展波导模式以匹配单模光纤（SMF）模式。最后，包含支撑柱以机械稳定耦合器。这种四部分3D聚合物结构通过扩展波导模式匹配SMF尺寸实现了高耦合效率，而锥形区域的方形对称性降低了偏振依赖性。此外，聚合物材料的低色散和低吸收特性实现了宽带传输和低传播损耗。

3D聚合物耦合技术最大限度地减少了光损耗，并促进了光通信系统中的高效光传输。此外，它降低了对光学特性的依赖，最终实现了高耦合效率。这些优势有望在光通信和传感器应用中发挥关键作用。

2.1.2 边缘耦合
边缘耦合是光学基光子电路中广泛使用的方法，是实现高效光纤到芯片集成的基础关键技术。此方法采用面内耦合，通过将光纤端面对准光学器件表面，并将光耦合到光学器件的边缘，以从光纤发射或收集光[23]。边缘耦合的优势在于，即使光纤与光子器件之间的间隙很小，也能高效传输光[24, 25]。因此，它特别适用于高密度光子器件集成和小型化光学模块的开发。

然而，实现光纤纤芯与芯片上波导的亚微米级精度对准[26]至关重要。因此，需要精密先进的准直技术以最小化光纤对准和耦合的损耗，并且光纤和光子器件的表面质量必须非常高[27]。这些特点表明制造过程中需要复杂的技术和精密的制造工艺。此外，为了在光子芯片侧面进行边缘耦合，对芯片侧面进行抛光等额外预处理是必不可少的。因此，边缘耦合虽然是一种非常流行且简单的光学连接方法，但需要精密的准直系统和诸如抛光的预处理程序。

边缘耦合方法根据耦合器末端是否存在用作透镜聚焦光的结构，大致可分为对接耦合（butt coupling）或端射耦合（end-fire coupling）。最初，对接耦合方法是指在耦合端没有透镜结构的情况下进行耦合。在对接耦合中，顾名思义，光纤端面简单地对接在光学器件的表面上，从而连接发射和接收器件[28-30]。因此，该方法通常用于将来自光源器件（如发光二极管LED或激光二极管）的光高效耦合到芯片上的波导，且损耗最小。例如，对接耦合被用于开发由半导体激光二极管和Si3N4微环芯片组成的集成孤子微梳器件[31]。分布式反馈（DFB）激光二极管通过对接耦合方法直接耦合到Si3N4微环芯片，确保激光二极管与微环芯片之间的距离调整精度超过100 nm。这使得可以控制从Si3N4微环芯片到二极管的累积光学相位。类似地，这种高效耦合方法有望为开发工作在微波重复频率下的紧凑型微梳器件奠定关键基础。

在端射耦合中，在耦合器端面使用起到透镜聚焦光作用的结构。在各种端射耦合方法中，最具代表性的是使用透镜光纤的耦合方法。通常，来自激光二极管等光源的光通过透镜光纤耦合到芯片端面的波导[32-51]。例如，透镜光纤可用于将工作在电信波长的可调谐激光器与Si3N4芯片结合（图2b）[16]。此外，DFB激光器可以通过仔细对准边缘耦合到Si3N4光子芯片上的总线波导，以高效注入光，然后通过550 nm间隙的单点耦合器将光耦合到环形谐振器。因此，耦合的光可以通过透镜光纤传输和收集，最终路由到光学频谱分析仪。

在另一项研究中，光在可见光波长下通过透镜光纤端射耦合到芯片[17]。使用的光源是685 nm连续波激光二极管，来自激光器的光通过透镜光纤的逆锥形结构引导到芯片上的SiN波导。在该结构中，逆锥形长度为200 µm，最小宽度为180 nm。该光学器件针对与聚焦光斑直径为2 µm的透镜光纤耦合进行了优化，预计每个端面的耦合损耗约为1.5 dB。利用透镜光纤在集成可见光雪崩光电探测器（PD）和输入波导之间进行端射耦合的方法，提供了一种克服输入光耦合限制并减少耦合损耗的替代解决方案。

2.1.3 光栅耦合
光栅耦合器（Grating Couplers）广泛用于光纤到芯片的耦合，其特点是在特定表面上制造的由各种材料制成的周期性结构[52-57]。通常，光可以使用光栅耦合器从光纤高效耦合到芯片[58-70]。在光子芯片上，光栅耦合器通常通过蚀刻或沉积非晶硅来制造[71, 72]。在此结构中，光的行为取决于结构材料内的折射率和光波长[73]。如果光栅耦合器材料中折射率变化的周期大于光在其中的波长，光会经历衍射效应增强。相反，当折射率变化的周期小于光在其中的波长时，光的传播类似于在均匀介质中。随着周期减小，这种行为变得越来越显著。为促进光耦合，将光纤放置在光栅耦合器的周期性结构上方[74]。通过光纤传输的光通过光栅结构从离面波矢方向改变为面内波导方向，然后通过转换器耦合到芯片上的波导。光栅耦合器通常工作于宽带宽，并具有紧凑性的优势，因为其结构直接形成在光子芯片表面上，从而节省空间。此外，它们与各种芯片制造工艺兼容，确保与其他光子组件的直接集成。虽然光栅耦合器具有几个突出的优点，但由于其工作原理，也存在固有的缺点。这些缺点包括通常比边缘耦合器更低的耦合效率，以及高度依赖于波长和偏振的结构。

如图2c所示，光栅耦合器被用于实现用于亚纳秒图像分类的集成端到端光子深度神经网络（PDNN）[18]。在芯片的输入像素层中，光栅耦合器用于图像形成的位置。来自像素阵列的入射光波被耦合到光子波导中，并通过芯片上不同的神经元层传播以处理信号。特别地，在输入像素层采用了5×6的光栅耦合器阵列。从这些耦合器接收的30个信号通过由纳米光子波导组成的光子网络被分成四组重叠的12像素子图像。此外，上述5×6光栅耦合器阵列被重复用于图像形成校准和神经元层的训练。因此，通过光栅耦合器耦合光源实现图像处理，实现了高效的光纤到芯片集成，展示了PDNN芯片卓越的图像分类能力。

此外，光栅耦合器也有别于传统结构进行配置。如图2d所示，与通常通过蚀刻实现沿z轴不对称的传统方法不同，在金刚石量子光子学中使用了称为逆设计垂直耦合器的结构[19]。特别是，逆设计垂直耦合器的最佳形状是通过电磁仿真得出的，具有优化的设计区域和性能指标。图2d显示，随着优化迭代次数的增加，耦合效率不断提高直至收敛，从而得出最优耦合器形状。尺寸为1.0×1.0 µm的耦合器直接耦合到400 nm宽的波导，无需锥形结构。通过电磁仿真，调整逆设计以实现最佳性能，垂直入射的高斯光束作为辐射源集中在1.0×1.0 µm设计区域内。为了支撑该区域，左侧放置了两个支撑条，而发射光的输出波导位于右侧。因此，在波长737 nm处的耦合效率最高达到约27.5%，证明了实现高效耦合的能力。此外，逆设计垂直耦合器的紧凑性有望促进更先进和复杂量子电路的发展。

(图2说明：光纤到芯片集成方法。a) 3D聚合物耦合的概念图和SEM图像。经许可转载[15]。版权2021，Springer Nature。b) 边缘耦合的光学图像。根据知识共享CC BY许可条款转载[16, 17]。版权2023和2021，作者。由Springer Nature出版 c) 光栅耦合器的概念图。经许可转载[18]。版权2022，Springer Nature。d) 经过多次设计优化的耦合效率以及逆设计垂直耦合器的光学图像。根据知识共享CC BY许可条款转载[19]。版权2019，Springer Nature。)

2.2 芯片到芯片集成
随着光子芯片上各种光子组件高度紧凑集成的快速发展，芯片尺度的信号传输已成为一个关键问题。芯片之间（每个芯片包含众多组件）的有效通信在芯片封装中至关重要。因此，旨在最小化损耗并高效耦合芯片间信号的芯片到芯片集成方法研究正积极开展。本节讨论某些高效的芯片到芯片集成方法。

2.2.1 光子线键合 (Photonic Wire Bonding - PWB)
光学连接芯片的一种常用方法是光子线键合（PWB）。PWB类似于用于芯片间电气连接的引线键合方法，但在工艺和材料方面有所不同。它充当每个芯片上光子组件之间的桥梁，具有跨越芯片间隙的3D几何形状的线状聚合物波导（PWG）[80-84]。通过线状的PWG，从一个芯片传输的光信号被传送到对面的芯片，实现主动信号处理。当使用芯片到芯片耦合方法互连两个不同的光子芯片时，必须确保芯片间的最小损耗耦合以实现高效的信号处理。PWB方法通常比其他先进光学互连技术具有成本优势。它所需材料极少，且不需要额外的耦合元件，使其结构紧凑[85]。因此，它有利于自动化大规模生产，并有望在互连光学芯片时提供灵活性和高性能[82, 86]。然而，由于该方法使用PWG，与光纤相比存在较高的光损耗，这可能导致信号衰减和不规则传输。此外，由于材料的特性，该方法对环境条件（如温度变化）敏感，可能导致性能波动。此外，如果未正确考虑PWB的几何设计因素（即直径、锥度长度、锥度直径、曲率和表面粗糙度），可能会引起显著的光损耗[87]。在界面处的光学互连中，使互连组件的光模场直径与PWB的直径相匹配对于确保高效的光信号传输至关重要。为此，使用锥形结构来匹配互连组件和PWB的不同直径。随着锥度长度的增加，形态突变减小，导致光损耗降低并趋于收敛。最佳锥度直径取决于互连组件的模场直径，这决定了可实现的最小光损耗。此外，当PWB直径减小时，单模传播变得更加主导，从而减少光损耗。然而，随着界面处表面粗糙度的增加，表面散射变得更加显著，从而增加了光损耗。另外，如果互连组件表面粗糙度高，在PWB工艺过程中也可能导致激光束散射，阻碍精确结构形成。关于PWB固有的互连性能，当PWB的曲率半径超过约30 µm时，光信号不再被充分限制在结构内，导致损耗增加。因此，要最小化PWB的光损耗，必须确保最佳的几何设计参数并高精度地制造PWB。

例如，使用双光子光刻直写制造工艺在多光子芯片之间实现了采用3D自由曲面PWG的PWB[88]。该多芯片模块由多个基于不同材料（如InP和绝缘体上硅（SOI））的光子芯片组成。这些芯片首先使用取放设备（定位公差≥10 µm，无需精确对准）固定在预设计的、带有SMF阵列的子基板上。随后，通过使用双光子光刻工艺制造的互连自由曲面PWB耦合芯片。在光刻工艺中，使用负性光刻胶（Nanoscribe IP-Dip，在780 nm处折射率n = 1.52），未曝光的光刻胶通过两步显影过程去除：首先使用丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）显影20分钟，然后在异丙醇（IPA）中漂洗。这种方法的一个优点是，可以通过高分辨率3D成像和计算机视觉技术提取精确的位置和方向信息，从而根据需要灵活调整PWB的横截面和轨迹。具有纤芯折射率ncore = 1.52和波导横截面尺寸为2.0×1.6 µm的PWB被观察到机械稳定，并且适合与包层折射率nclad = 1.36的材料一起工作。这种配置允许弯曲半径小至35 µm，证明了其在紧凑多芯片组件中的适用性。值得注意的是，当PWB耦合到硅光子（SiP）电路时，使用嵌入上锥形PWB波导的下锥形SiWG纤芯可以实现更有效的耦合。因此，由PWB实现的芯片到芯片高效耦合已证明可将硅光子调制器阵列有效连接到InP激光器和单模光纤，在芯片级测试中测得100个PWB的平均耦合损耗为(0.73 ± 0.15) dB。此外，将八个独立的InP激光器连接到八个SiP调制器阵列和单模光纤的设置实现了448 Gbit/s的总线路速率；而将四个InP激光器与基于硅的同相和正交调制器结合的系统在75 km距离上实现了784 Gbit/s的总线路速率，展示了高效且极高的数据传输速度。PWB使得光学芯片可以并排放置，实现了高效的热连接，并且由于不需要精确对准的优势，在自动化过程中实现了高效的光学耦合。

作为光刻替代方案的另一种方法如图3a所示，是通过开放空气聚合（open-to-air polymerization）进行直接光学线键合实现的芯片间光链路[75]。这种耦合通过拱形线形成的桥状结构实现，该结构是通过从微量移液管尖端挤出在空气中固化的聚合物溶液进行布线时形成的。为促进芯片间连接，在每个芯片波导末端放置了周期为620 nm、蚀刻深度为70 nm、长度为15.2 µm的光栅耦合器，用于与聚合物线耦合。来自可调谐激光器的光通过光栅耦合器耦合以实现导光模式。然后，该光通过聚合物线传输到另一个芯片。将聚苯乙烯粉末（在1550 nm处具有高折射率n = 1.54）溶解在二甲苯溶剂中，制成浓度为0.5 wt.%的聚合物溶液。将该聚合物溶液填充到玻璃微量移液管中以用于该工艺。液体弯月面从微量移液管（尖端直径：0.5 µm）挤出并定位在光栅区域。随着微量移液管的移动和拉伸，弯月面内的聚合物溶液在空气中迅速固化，二甲苯蒸发，从而形成聚合物线。通过调整微量移液管的拉动运动可以物理控制线的形状。接触光栅的聚合物线末端的形状对于光的有效耦合至关重要，因此适当调整工艺条件非常重要。最终，与使用8°抛光SMF的传统方法相比，聚合物线键合在插入损耗方面表现出明显更低的波长依赖性。这证明了其在封装各种光学设备和芯片方面的实用性。

(图3说明：芯片到芯片集成方法。a) 直接光学线键合的概念图和键合光学线的光学图像。根据知识共享CC BY许可条款转载[75]。版权2022，Optica Publishing Group。b) 自由曲面耦合器的概念图和光学图像。经许可转载[76]。版权2018，Springer Nature。c) 基于聚合物波导的芯片到芯片集成的概念图。根据知识共享CC BY许可条款转载[77]。版权2018，IEEE。d) 基于聚对二甲苯的聚合物波导的概念图和光学图像。根据知识共享CC BY许可条款转载[78]。版权2020，Springer Nature。e) 基于光纤的芯片到芯片集成的概念图。根据知识共享CC BY许可条款转载[79]。版权2020，Springer Nature。)

2.2.2 原位3D纳米打印自由曲面耦合
光束整形元件可用作高效芯片到芯片集成的耦合方法。这些结构使用3D双光子光刻技术直接制造在相应光学元件的端面上[89-91]。如图3b所示，在边发射激光器的端面上打印一个自由曲面透镜，以大于100 nm的精度对准波导[76]。利用高分辨率机器视觉技术和相应的制造工艺显著提高了设计灵活性，能够精确匹配各种组件的模场分布。这一优势通过促进低损耗耦合确保了效率。光束整形元件可以各种形式实现，具有多种功能，例如具有单一折射表面的自由曲面透镜、利用自由曲面反射镜的反射元件、凹凸透镜组合以扩大光束直径以及高性能多透镜组件。能够实现多种结构形式，使得在连接芯片到另一芯片时可以在期望的方向和位置进行耦合，从而在光学封装中提供显著优势。此外，这些结构可以设计为在空气或低折射率包层材料中工作，使其在运行的同时最小化反射或保护光学表面免受外部因素影响。使用光束整形结构将边发射DFB激光器耦合到SMF以评估耦合效率。光束整形元件在激光器或SMF端面上实现，可以观察耦合效率以及对SMF沿水平、垂直和轴向移动的敏感性。当光束整形元件位于激光器端面时，对于最佳光纤位置，观察到的耦合损耗为1.0 dB (η = 80%)，沿水平和垂直方向的1 dB位置公差测量为±1.9 µm，沿轴向为±12.5 µm。然而，当光束整形元件位于光纤端面时，对于最佳对准，最小耦合损耗为0.6 dB (η = 88%)，沿水平和垂直方向的1 dB位置公差测量为±0.7 µm，沿轴向为±4.8 µm。这些结果表明，光束整形元件的耦合效率超过了透镜光纤的最大效率（通常为80%）。因此，通过原位3D纳米打印自由曲面结构实现的芯片间高效耦合，加上其良好的位置公差，确保了该方法可广泛应用于各种边发射和面发射器件。特别是，该方法有助于光子集成芯片的有效封装。

2.2.3 聚合物波导 (Polymer Waveguide - PWG)
聚合物波导（PWG）是光子学领域的关键技术，作为光子芯片之间光信号的有效通道。由视觉透明的聚合物材料制成，这些波导通常呈现平面或圆柱形几何形状，包含引导和传输光的通道[92-95]。这些通道通过利用聚合物材料的折射率对比度将光引导到所需方向[96-98]。因此，光信号沿着波导传播，促进其在光子芯片之间的传输，从而实现PIC内的互连。由于使用聚合物材料，PWG具有柔韧性，可以弯曲和弯曲成各种形状[99]。此外，它们的制造成本相对较低，并且易于加工，使其适用于光学通信和传感器应用中的灵活设计和满足特定要求[100, 101]。然而，与光纤相比，PWG可能经历相当高的光损耗，特别不适合长距离信号传输。此外，由于聚合物材料的固有特性，它们在高温下性能可能会下降，在热稳定性方面构成挑战。尽管存在这些缺点，波导由于其成本效益和卓越的灵活性，被广泛用于芯片到芯片数据传输和光通信系统内的通信。

图3c显示了利用单模PWG技术互连芯片的示意图[77]。PWG与具有SiWG的硅光子芯片的高效耦合非常重要。虽然光栅耦合器如今被普遍使用，但其谐振性质引入了强烈的偏振和波长依赖性。因此，在本研究中采用了绝热光学耦合技术。绝热光学过程是指几何变化逐渐发生以防止传入模式能量转移到其他模式的状态。通过使SiWG和PWG的纤芯直接接触或非常接近，实现了从SiWG到PWG的绝热光学耦合，诱导了绝热转变，其中高度限制在SiWG内的光模根据SiWG宽度的逐渐减小被引导到PWG中。使用这种结构，光最初通过输入SiWG锥体完全限制在SiWG纤芯内，然后在锥体中心覆盖两个波导纤芯，最后在锥体末端传输到完全限制在单模PWG纤芯内。光的这种传输行为不仅在从SiWG到PWG的传输过程中表现出来，在从PWG到SiWG的反向情况下也应如此。通过使用聚合物材料的光刻工艺，可以轻松地在硅光子芯片上制造PWG。最终，PWG与硅光子芯片之间的对准公差为2 µm时，损耗增量仅为1 dB，反射损耗低于-45 dB。这种光耦合方法在偏振和波长容忍度操作方面具有显著优势，因为它不需要SiWG和PWG模式之间的相位匹配，即使它们的有效折射率不同。此外，由于能够在单个键合步骤中同时连接多个SiWG和PWG，该方法非常适用于需要大规模通道的光学系统。因此，该PWG技术的应用有望显著促进光封装技术中芯片到芯片集成的进步，因为它与标准倒装芯片工艺兼容，使得可以在同一载体基板上共封装硅光子芯片。

在另一个例子中，使用高密度低损耗聚合物光波导实现了可植入光子平台，如图3d所示[78]。为了在最小化损伤的同时通过生物组织传输光，使用了生物相容性材料，如柔软灵活的聚对二甲苯C（Parylene C）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。请注意，由于需要利用全内反射，使用具有高折射率系数（n = 1.639）的Parylene C作为波导纤芯，而具有相对较低折射率系数（n = 1.4）的PDMS作为波导包层。这种显著的折射率差异带来了诸如增强模式限制和降低弯曲损耗等优点。然而，由侧壁不规则引起的散射损耗会增加。因此，平滑波导侧壁可能有益于整体性能。来自集成激光二极管或连接到外部激光源的光纤端的光在探针后端耦合到波导中，沿着5 cm长的波导传输，并通过输出端口射出。在输入和输出端口嵌入的单片集成45°微镜实现了高效的宽带输入或输出耦合，方向为90°正交方向，促进了有效的光耦合。沿平面轴引导光的传统方法导致照射探针表面区域的大部分，从而限制了可以在表面上排列的非重叠输出端口的数量。通过在输出端口使用微镜结构，将光沿探针表面的垂直方向引导，可以克服这些限制。因此，PWG技术在不同波长范围内表现出低耦合损耗，在λ = 680, 633, 532, 和450 nm处分别为3.2, 4.1, 4.9, 和6.1 dB/cm。以这种方式，PWG技术提供了灵活性和紧凑性的优势，使其成为未来光学封装应用中极具前景的技术。它有望在适用于各种柔性基板的同时，增强芯片间的耦合效率。

2.2.4 光纤 (Optical Fiber)
光纤通常指由玻璃或塑料制成的细而柔韧的纤维，用于数据传输技术，其中信息通过光进行传输和接收。光通过光纤内的多次内反射传播，利用折射率差异实现，从而延长传输距离并保护信号[102-104]。根据光的传播模式，光纤分为单模光纤（SMF）和多模光纤。SMF通常用于长距离通信，其纤芯直径较小[105-109]。这一特性使得光作为单光束沿直接路径传播，有助于信号传输更远距离。此外，与多模光纤相比，SMF具有显著更高的带宽，并通常使用激光二极管作为光源。相反，多模光纤更适用于短距离通信。其纤芯直径较大，便于多个光模式同时传播，允许同时传输更多数据[110-112]。然而，由于不同的传播路径，信号在到达接收器之前丢失和干扰的可能性更高。多模光纤通常采用LED作为光源，提供宽光谱的光和相对稳定性。通常，光纤具有显著优势，如宽带宽和快速数据传输速度。利用光的特性，它们无需频繁的信号放大即可高效传输大量数据。此外，由于对电噪声和干扰不敏感，光纤系统可以在长距离上保持高信号强度，使其适用于长距离通信。然而，光纤系统也存在诸如初始安装成本高、损坏时维修和维护困难以及由于材料特性而易受物理冲击等缺点。尽管如此，其高速数据传输的独特优势使其在长距离通信和高速互联网连接中得到广泛应用。此外，预计它们将在光子芯片的光学互连和封装技术的未来进步中发挥关键作用。

如图3e所示，光纤可用于集成多维通信方案，该方案在硅光子电路上结合了波长和模式复用[79]。该光纤包含一个锗掺杂的矩形纤芯，周围是环形二氧化硅包层材料。它具有近乎完美的圆形，包层直径为125 µm，纤芯尺寸为32×8 µm，折射率调制约为0.005。此外，实现从片上收发器到通信链路的高效光耦合对于芯片到芯片的连通性至关重要。为此，采用了逆设计光栅耦合器。光栅耦合器保留并垂直发射所有空间模式到芯片表面。该结构设计为发射最小特征尺寸为80 nm的多模光束，方向垂直于表面。此外，它的设计目的是当光信号从光纤传输到芯片时，最小化多模光纤的空间模式反向耦合到硅芯片。来自激光器的光通过透镜光纤耦合到发射器芯片上的单模输入波导。随后，发射器芯片通过模分复用（MDM）复用器和光栅耦合器将光传输到多模光纤的空间模式。使用5米长的多模光纤，模式被限制为横向单模和垂直四模，确保光信号从发射器传输到接收器芯片时具有低模间串扰。接收器芯片通过光栅耦合器和MDM解复用器接收光，从而能够在单模输出波长上单独表征传输信号。因此，使用多模光纤和逆设计耦合器的光传输已证明，在35 nm光谱带宽内，所有空间模式通道的模相关损耗差异小于2.5 dB，并具有-10.5至-17.1 dB的低串扰性能。这些结果验证了该系统在实现高效光传输方面的有效性。此外，它们证实了光纤在芯片间高速、宽带传输中发挥高效作用的潜力，为利用该技术实现光子集成芯片的集成和小型化铺平了道路。

2.3 芯片内光学再分布
与前述的光纤到芯片和芯片到芯片集成方法不同，芯片内光学再分布涉及在同一芯片内将光信号从一个光学路径传输到不同层上的另一个路径。要将光信号传输到不同层的光学路径，需要一种能够改变原始光路的结构。在光子芯片封装中，反射镜和光子中介层是用于此目的的两种主要结构。本节将介绍使用这两种结构进行芯片内光学再分布的方法。

2.3.1 基于反射镜的光学再分布
在光纤到芯片和芯片到芯片集成技术中，反射镜结构用于实现垂直耦合[115]。与边缘耦合不同，垂直耦合允许通过芯片的面外表面进行光学连接，消除了芯片边缘抛光工艺的需要[116]。因此，垂直耦合有利于晶圆级测试。此外，反射镜结构不仅可用于外部连接，还可用于芯片内光学再分布，实现光子电路的更密集集成，从而获得紧凑的多层光子芯片。此外，基于反射镜的结构提供宽带和低偏振相关耦合等优势，这与基于光栅耦合器的垂直耦合不同，后者可能受到光干涉的影响，并依赖于波长和偏振[117, 118]。图4a展示了基于反射镜的芯片内光学再分布的侧视概念示意图以及底面反射镜的3D表面轮廓[113]。通常，底面反射镜设计为弯曲形状以形成准直光束，这通常使用灰度直写光刻技术实现，而不是产生平坦表面的传统蚀刻方法。虽然底面和顶面反射镜可以将原始光束的光路转移到芯片的不同层，但在不同层上堆叠时精确制造这些结构并使用有限材料是具有挑战性的。此外，当使用反射镜结构进行垂直光传播时，需要额外的空间，从而降低了空间效率。因此，基于反射镜的光学再分布在形成多层光子芯片结构和减小封装体积方面存在限制。因此，为了实现未来的多层堆叠光子芯片，必须开发能够精确实现所需形状的反射镜制造方法以及用于反射镜结构的坚固多层堆叠材料。

(图4说明：芯片内光学再分布方法。a) 基于反射镜的芯片内光学再分布的概念图和曲面反射镜的3D轮廓图。根据知识共享CC BY许可条款转载[113]。版权2018，IEEE。b) 基于光子中介层的芯片内光学再分布示意图。根据知识共享CC BY许可条款转载[114]。版权2021，Springer Nature。)

2.3.2 基于光子中介层的光学再分布
光子中介层（Photonic Interposer）的作用类似于包含用于电信号的RDL的硅、玻璃和有机中介层。然而，它能够实现光信号的再分布[119, 120]。在光子芯片封装的系统级别上，光子中介层在各种有源和无源器件之间收集、滤波、路由和接口光[121]。这有助于降低成本、尺寸和重量，并通过将多个光子小芯片（chiplets）连接到单个光子中介层来提高可扩展性。在芯片级别上，具有光子RDL的光子中介层促进不同层之间的光学连接，实现多层光子芯片的制造。通常，倏逝耦合器（evanescent couplers）用于光子中介层和其他层之间的光学连接，这需要波导之间的紧密接近[122]。因此，用于垂直耦合的倏逝耦合器通常采用两个垂直对准的锥形结构，有助于实现紧凑的多层光子芯片。与反射镜在结构形成时可能使用聚合物获得弯曲形状或通过硅蚀刻获得平坦形状不同，光子中介层可以使用聚合物和SiN等材料，利用现有半导体设备轻松堆叠。因此，使用传统材料制造的光子中介层适用于实现多层光子芯片。此外，如图4b所示，基于光子中介层的光学再分布比基于反射镜的方法占用空间更少，仅等于具有小间隙的倏逝耦合器的尺寸，从而实现高空间效率并促进紧凑封装[114]。它也可以用作实现无间距互连（pitch-less interconnection）的方法之一。然而，倏逝耦合器的一个缺点是，由于需要两个波导紧密接触或严格控制间距以允许倏逝模重叠，因此需要精密的制造工艺。此外，由于两个相邻光学波导之间的场重叠引起的串扰可能引入意外误差并限制密集集成；因此，控制波导之间的间距非常重要[123]。此外，虽然对单层和双层光子芯片进行了大量研究，但对多层光子芯片的研究仍然有限。因此，在芯片级封装方面，开发增强芯片性能、实现芯片内多层光学连接以及创建无间距互连的方法对于实现紧凑封装至关重要。组件级光子集成技术的关键指标详见表1。

(表1：组件级光子集成的关键指标。)

来源：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.202401848