基于氮化硅 PIC 技术通过裸激光二极管倒装焊实现的微型化且可扩展的 AR 眼镜激光光源

Douwe Geuzebroek¹ Raimond.Frentropb² Ronald Dekkerb² Dongfang Liua¹ Cristina Cunhaa¹ Shirin Azadia¹ Anneirudth Sundararajanc³

¹ Brilliance B.V. Hengelosestraat 581, 7521 AG Enschede, the Netherlands · ² LioniX International B.V., Hengelosestraat 500, 7521 AN Enschede, the Netherlands · ³ PhiX B.V. Hengelosestraat 525, 7521 AG Enschede, The Netherlands

1. 引言 (INTRODUCTION)

光子集成电路（PICs）已证明，复杂光子功能的紧凑集成有助于缩小增强现实眼镜的尺寸和重量。基于氮化硅的 PIC 已证明其在可见光波长范围内的可靠运行，功率水平可达数百毫瓦。对于增强现实眼镜而言，除了微型化之外，可扩展性或实现大批量生产的途径也至关重要。在本文中，我们描述了使用基于氮化硅的 PIC 和倒装焊工艺制造针对可见光激光二极管优化的、微型且可扩展的 AR 眼镜光源的研究结果。

2. 激光二极管的混合集成 (HYBRID INTEGRATION OF LASER DIODES)

所提出的激光光源采用了 TripleX® $Si_3N_4$ 波导平台。该平台除了具有低传播损耗外，还能控制光场的模场形状。通过使用锥形技术（Tapering techniques），可以调整光学模场尺寸。通过这种方式，可以独立控制激光二极管的优化耦合效率以及激光引擎经过优化的输出光学模场特性。后者需要圆形模场，以实现在投影应用中的最佳效果。

3. 可见光激光二极管的倒装焊工艺 (FLIP-CHIPPING OF VISIBLE LASER DIODES)

为了将激光二极管组装到 PIC（光子集成电路） 平台上，倒装焊（Flip-chip） 方法是核心关注点，因为它可以实现最紧凑且最具扩展性的设备。对于采用倒装焊组装的设备，裸激光二极管（Bare laser diodes） 被倒装嵌入到 PIC 的凹槽（Recesses）中。

在此工艺中，激光二极管采用被动对准（Aligned passively）：水平方向（两个侧向维度）： 使用视觉系统将激光二极管的特征与 PIC 上的特征进行对准，精度优于 0.5 μm，且在对准过程中激光二极管不发光。高度方向（第三维度）： 该工艺依赖于落地柱或落地条（Landing poles or bars）；即凹槽内蚀刻出的特征，其高度在制造过程中受到精确控制（误差 $\pm 50nm$）。

图 1 左侧给出了整体组装的艺术效果图。该工艺的基础已在红外波长领域得到验证，现已调整用于可见光波长领域；由于可见光波段对工艺步骤的精度要求极高，因此禁止使用环氧树脂（Epoxy）

此外，图 1 展示了一张已组装设备的照片，显示了放置在各自凹槽（Recesses）中的三个激光器。图中还展示了 NTC 温度传感器的布置位置。该设备的总尺寸为 4 x 4 mm。

倒装焊组装中被动对准（Passive alignment）方法的核心原理如下：激光二极管和 PIC 均使用 Amicra Nano 倒装焊设备自带的视觉系统进行平面内对准。该视觉系统经过训练，可以识别激光二极管和 PIC 上的特定部件。

理想情况下，最好使用两个芯片上的波导（Waveguides）进行对准，但由于某些原因并非总能实现。这是因为所使用的激光二极管尚未针对该工艺进行优化，其波导被掩埋在金属层之下。因此，在测试实验中，研究人员使用了其他特征点，并将其与波导位置进行关联。对于来自同一晶圆的激光二极管，该工艺在水平方向上实现了 < 1 μm 的放置精度。

对于组装的高度方向，采用了如图 2 所示的被动限位（Passive stop）方案。该方案的横截面示意图展示了蚀刻沟槽（Etch trench）和作为激光二极管被动限位器的支撑柱（Pillars）。这些支撑柱相对于波导位置的高度控制精度可达约 100nm。

在支撑柱之间沉积了一层焊料，其高度至少与支撑柱持平。研发团队开发了一种专门的激光焊接工艺，在通过倒装焊动作放置好激光二极管后，通过从底部对 PIC 进行局部加热，将其焊接固定。

工艺优化已在以下两方面取得平衡：一方面是实现良好焊接连接所需的温度，另一方面是不影响相邻的凹槽（这些凹槽可能仍为空置，或已装入激光器）。该流程为全自动化工艺，总组装时间（放置 3 个激光二极管及 1 个温度传感器）约为 80 秒。目前相关优化仍在进行中，旨在进一步缩短总组装时间。

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4. 被动倒装焊结果 (PASSIVE FLIP-CHIP RESULTS)

为了进行工艺开发和优化，对具有广泛参数集的多个设备进行了优化，以提高放置精度。目前已完成超过 500 套完整设备的组装，因此倒装焊组装的总数已达数千件。通过将前几批设备的经验融入下一批次，设备的放置精度在连续批次中不断提高。

因此，所有这些设备的统计信息都呈现出改善趋势，每一批次后的最大耦合效率（意味着更好的对准）都在提升。例如，参见图 3，通过优化视觉系统参数和激光焊接参数，经过多个批次（每批约 25 件）的迭代，红光的最高耦合效率已提升至 > 70%。由于这些批次属于 DOE（Design of Experiments，实验设计） 的一部分，也测量到了较低的耦合效率，这些数值尚不具备可重复性数据。然而，基于这些参数，最新的批次显示出性能有所改善。

在此图中，仅改变了水平放置位置，而未改变激光二极管与 PIC 之间的高度。对于所有三色光，模拟的理论最大耦合效率为 80%。在这些实验中达到的最大耦合效率分别为：红光 70%、绿光 30%、蓝光 30%。

除了优化现有设备的视觉系统参数，以及通过使用多种沟槽深度（Trench depth）来优化组装高度外，目前还在使用新的激光二极管（包括来自同一制造商及其他制造商的产品）来验证该工艺在不同批次及不同厂商下的适用性。新批次的初步结果显示，蓝光的测量耦合效率已达到 60%。

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5. 光学性能 (PERFORMANCE OF OPTICAL PROPERTIES)

基于当前的最佳组装设置，已完成了一组设备的完整组装：包括放置三个激光器、NTC 温度传感器，并添加了用于保护激光二极管的管帽（Cap）。完整的组装模块（被称为 Neptune 激光芯片）请参见图 4。

在完成总装后，对激光二极管的光学与电学性能，以及每个激光二极管与光子芯片的耦合效率进行了测试。通过测量 P-IV 曲线（功率-电流-电压特性曲线）来测试激光器的光学性能。使用专门的模场分析工具测量模场。图 5 给出了红、绿、蓝三种波长各自的光学模场。由于传感器区域只能放置在距离光子芯片出射端面（Facet）约 1cm 处，因此这些轮廓属于远场光学模场（Far-field optical modes）。

测量结果显示，每种颜色的长宽比（Aspect-ratio, X:Y）是相等的。对于所有三种波长，该数值均接近 1（误差在 5% 以内）。图中还展示了所有三种模式（Modes）具有相同的尺寸。这体现了该光子芯片所采用的特定类型氮化硅波导的特性。它不仅可以控制模场尺寸（Mode field dimensions），还允许针对每个波长优化数值孔径（NA）。

在具有三个紧密间隔波导（约 7μm）的合束器（Combiner）案例中，可以单独控制 NA 并使其在每种颜色上匹配，而在远场中，光学系统被视为一个单一的点光源。

数值孔径（NA apertures）是通过使用压电位移台（Piezo stage）向后移动模场分析工具来测量的。在给定的距离上测量模场直径（Mode field diameter），根据模场直径的增量计算出 NA。测得的 NA 值通常都在 0.06 左右，且彼此之间的差异在 10% 以内。

有关更详细的测量结果，请参见图 5。图中展示了约 200 个不同激光芯片在椭圆度（Ellipticity）和不同波长 NA 值方面的测量数据。在椭圆度方面，结果显示平均值为 0.95±0.04，表明该工艺具有极强的可重复性（Reproducibility）和极高的光束质量。在 NA 方面，相对于全样本 NA 的总平均值 0.045±0.04，其最小值和最大值偏差经证实分别为 2.3% 和 13.9%。这些数值可以通过调整波导特性进一步优化。

6. 结论 (CONCLUSION)

在本文中，我们描述了用于制造 4x4 mm 小尺寸激光引擎的倒装焊（Flip-chip）组装工艺。由于激光二极管与光子集成电路（PIC）平台的对准对于高效系统至关重要，我们提出的工艺是一种被动倒装焊（Passive flip-chip）方案：其中两个方向（水平面内）通过先进的视觉系统进行控制，以实现亚微米级（Sub-micron）的对准。

对于第三个且最关键的方向（高度方向），采用了基于精确控制的落地焊盘（Landing pads）（精度 < 100 nm）以及激光辅助回流焊（Laser-assisted reflow）附着层实现的被动对准。结果表明，这是一种在晶圆级（Wafer-scale）生产 AR 激光引擎的可行方案，为实现大批量制造开辟了道路。

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