未來光子技術(shù)革新：全自動光子引線鍵合(PWB)與表面貼裝微透鏡(FaML)技術(shù)應(yīng)用與前景

  本文介紹了光子技術(shù)領(lǐng)域的兩項創(chuàng)新成果——全自動光子引線鍵合(PWB)和表面貼裝微透鏡(FaML)技術(shù)。這些技術(shù)由Vanguard開發(fā)，結(jié)合3D納米打印和被動對準技術(shù)，顯著提高了光學器件的封裝效率和成本效益。通過SYMPHONY自動化解決方案，Vanguard提供從原型設(shè)計到大規(guī)模生產(chǎn)的完整路徑，已在數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域取得成功應(yīng)用，為高效、高精度的光子集成開辟了新前景。

  光子集成面臨的挑戰(zhàn)與未來解決方案

  隨著人工智能(AI)、云計算和 5G 技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代社會對數(shù)據(jù)處理速度和容量的需求呈指數(shù)級增長。制造商因此不斷探索更高效、更緊湊且功能豐富的產(chǎn)品解決方案。然而，傳統(tǒng)電子技術(shù)在應(yīng)對數(shù)據(jù)激增方面的局限性日益凸顯。光子集成技術(shù)憑借其高傳輸速率、低能耗和高集成密度，成為未來技術(shù)革新與規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵推動力。

  光子集成電路(PICs)和光學元件的應(yīng)用極大提升了數(shù)據(jù)傳輸速度、能源效率和設(shè)備小型化。但這些技術(shù)的封裝和集成難題仍制約其批量化生產(chǎn)。光子器件的封裝成本通常占最終產(chǎn)品價格的 60%~80%，成為主要瓶頸。盡管主動對準技術(shù)適用于單通道集成，但在高密度1D和2D光通道陣列上的批量化生產(chǎn)仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。

  光學模塊由多種光學特性不同的組件組成，如有源組件(磷化銦激光器)、無源組件(硅、氮化硅或鈮酸鋰制成)以及單模光纖或偏振保持光纖陣列等。這些組件的特性差異使集成過程面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)亟需解決因光學差異帶來的問題。為降低耦合損失，必須精確匹配各器件模式場分布并實現(xiàn)高精度對準。高效、可重復的對準過程對提升生產(chǎn)效率和良品率至關(guān)重要，直接影響成本與產(chǎn)量。此外，封裝后的光學組件需在不同應(yīng)用環(huán)境中保持高穩(wěn)定性，對準精度通常需達到亞微米甚至納米級。這些復雜性導致光子器件的制造成本遠高于傳統(tǒng)電子器件，良品率也較低。因此，未來需要采用全新的解決方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

  Vanguard創(chuàng)新被動對準與3D納米打印技術(shù)

  面對光子集成的挑戰(zhàn)，德國Vanguard Automation公司創(chuàng)新性地引入被動對準、機器視覺和增材制造(3D打印)技術(shù)，簡化了光子器件連接方式，為高密度集成光子器件批量生產(chǎn)和封裝開辟了新路徑。

  Vanguard借鑒半導體行業(yè)電信號引線鍵合 (Wire Bonding) 的思路，將這一概念引入光信號領(lǐng)域(見圖 1)。采用高精度直接寫入的3D激光光刻工藝，制造出微米級長度的 3D 自由形狀光波導，即“光子引線(Photonic Wire)”，將光完全束縛在波導內(nèi)部，確保低損耗和高容差的傳輸性能。光子引線鍵合(Photonic Wire Bonding)是一種自動化工藝，具有高度的設(shè)計靈活性。此外，Vanguard還運用3D納米打印技術(shù)來制造光學芯片和光纖上的表面貼裝微透鏡(Face-attached Micro Lens, FaML)，實現(xiàn)低損耗的光耦合，放寬對準容差，并支持晶圓級別的光學器件邊緣耦合測試。

圖1 半導體集成電路電子引線鍵合(左)和Vanguard光子引線鍵合(右)

  Vanguard 將光子引線鍵合 (PWB) 和表面貼裝微透鏡 (FaML) 技術(shù)整合，形成可擴展的 3D 納米制造解決方案，提供從原型設(shè)計到大規(guī)模生產(chǎn)的無縫過渡路徑，有效解決光子器件封裝中高成本、高精度要求的痛點。

  Vanguard 提供一套完整的全自動化解決方案——Vanguard SYMPHONY，包含兩大核心系統(tǒng)：

  ·Vanguard SONATA 1000：用于光子引線連接和表面貼裝微透鏡的制造。

  ·Vanguard REPRISE 1000：用于光學組件的后處理，實現(xiàn)全自動封裝流程。

  Vanguard SYMPHONY 集成了 BrightWire3D 軟件，提供高度自動化的接口檢測，檢測精度 <50 納米，動態(tài)計算最佳的光子引線連接路徑。此外，Vanguard 還提供了專門定制的光刻膠(VanCore 系列)，滿足工業(yè)級的可靠性標準，并支持標準化的工藝流程和工程服務(wù)，幫助客戶快速從原型開發(fā)過渡到量產(chǎn)階段(見圖 2)。

圖 2：Vanguard Symphony是Vanguard Automation 的全自動光子集成和封裝解決方案，包括基于 3D 光刻納米制造技術(shù)的自動化單元 Sonata 1000 和用于預處理及后處理的自動化單元 Reprise 1000。這些系統(tǒng)配備了 Vanguard 的 BrightWire3D 軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度檢測和實時軌跡計算。此外，Vanguard 提供自研光刻膠(VanCore 系列)、標準工藝開發(fā)、產(chǎn)品支持以及工程服務(wù)，形成從原型開發(fā)到大規(guī)模量產(chǎn)的完整解決方案

  Vanguard技術(shù)的市場應(yīng)用與成功案例

  Vanguard 的 3D 納米打印技術(shù)廣泛應(yīng)用，推動了圍繞其技術(shù)的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展?？蛻艉秃献骰锇槔霉庾右€鍵合和表面貼裝微透鏡技術(shù)，解決了混合模塊封裝和集成中的各種難題。

  在數(shù)據(jù)中心、電信和人工智能等關(guān)鍵市場，Vanguard的光子引線鍵合工藝已被應(yīng)用于硅、氮化硅、磷化銦和鈮酸鋰等多種材料平臺【1】，推動了混合集成概念的發(fā)展。其獨特優(yōu)勢在于支持一個耦合設(shè)計工具包(PDK)連接不同類型的光學組件，兼容所有學術(shù)和商業(yè)晶圓廠。同時，Vanguard 的解決方案支持使用簡單的逆錐形邊緣耦合器(Inverse Tapered Edge Coupler)，無需復雜的模式場轉(zhuǎn)換器(Spot Size Converter)，減少芯片設(shè)計中復雜耦合器的占用面積，為建立通用光學耦合標準奠定基礎(chǔ)。PWB 技術(shù)已成功應(yīng)用于 Kerr Soliton 微型頻梳和亞100Hz線寬激光器的開發(fā)【3, 4】，并通過了相關(guān)領(lǐng)域超低溫實驗中測試【5】。此外，Vanguard的表面貼裝微光學元件技術(shù)顯著提高了高帶寬相干驅(qū)動調(diào)制器(HB-CDM)的效率【2】。其專用光刻膠系列 VanCore針對嚴格的工業(yè) Telcordia 可靠性要求量身定制，可在最嚴苛的環(huán)境條件下保持可靠性【2】(見圖3)。

  表面貼裝微透鏡技術(shù)已成功用于電光引擎的構(gòu)建，例如光收發(fā)器、共封裝光學 (Co-Packaged Optics)、光引擎和傳感設(shè)備【6】。結(jié)合Vanguard的技術(shù)，顯著提升了光在光子器件之間傳輸?shù)鸟詈闲?，從而降低了整個系統(tǒng)的功耗【見圖3】。

  通過晶圓級精準對準和打印表面貼裝微透鏡，Vanguard實現(xiàn)了規(guī)模化生產(chǎn)能力，并增強了應(yīng)對新興應(yīng)用需求的能力【6, 7, 8, 9】。其微透鏡技術(shù)已成功應(yīng)用于光束整形元件【10】;并在相關(guān)領(lǐng)域中增加了超導納米線單光子探測器(SNSPD)的有效收集區(qū)域，成功解決了此類設(shè)備的設(shè)計瓶頸【11】。

圖 3：Vanguard Automation 的工業(yè)級表面貼裝微透鏡技術(shù)，兼容多種應(yīng)用，并已廣泛通過行業(yè)標準測試

  將3D光刻技術(shù)整合進生產(chǎn)鏈的可擴展路徑

  Vanguard Automation通過其互補技術(shù)組合(包括光子線鍵合和表面貼裝微透鏡技術(shù))，為大規(guī)模生產(chǎn)客戶提供了一條簡化的路徑，將其技術(shù)融入現(xiàn)有生產(chǎn)鏈中(見圖4)。

圖 4：Vanguard Automation 利用 3D 光刻技術(shù)將光子集成引入生產(chǎn)鏈的實施路徑

  第一步：通過與傳統(tǒng)技術(shù)(如主動對準)相結(jié)合的混合方法，將 Vanguard 技術(shù)引入現(xiàn)有生產(chǎn)鏈，可以提升耦合效率和生產(chǎn)良率，同時無需對現(xiàn)有生產(chǎn)工藝鏈進行重大調(diào)整【2】。

  第二步：在產(chǎn)品中引入光束擴展微透鏡，這有助于緩解光子集成電路(PICs)和其他光學組件(如InP激光器和光纖)的定位容差問題。從而優(yōu)化對準容差，使被動組裝成為可行工藝【9】。

  最終步驟：將光子引線鍵合技術(shù)集成到產(chǎn)品設(shè)計中，可全面釋放光子集成和封裝的顛覆性潛力，實現(xiàn)多芯片混合集成的元件均的標準化拾取和放置，同時優(yōu)化定位容差，確保高耦合效率和高良品率，并且支持快速制造和高封裝密度【12】。

  高產(chǎn)率、低成本與高效益的光子集成解決方案

  光子集成技術(shù)為行業(yè)帶來了顯著優(yōu)勢，但現(xiàn)有制造方法在生產(chǎn)吞吐量和成本之間存在權(quán)衡。傳統(tǒng)的光子集成方法，尤其是主動對準技術(shù)，雖適用于單通道設(shè)備，但在處理復雜、高密度的陣列時，往往會出現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸，導致設(shè)備成本上升并影響良品率。

  例如，連接單根光纖相對簡單，但當光纖通道數(shù)量增加到八個或更多時，復雜性會顯著增加。傳統(tǒng)技術(shù)在處理這種復雜性時常表現(xiàn)不佳，導致良品率下降。以高性能系統(tǒng)為例，假設(shè)有八個數(shù)據(jù)通道，每個通道傳輸速率為100 Gbps，這些通道連接到激光條等昂貴組件。隨著通道數(shù)量的增加，光子集成的密度提高，保持高良品率變得尤為關(guān)鍵。光子組件(如激光器)成本較高，良品率過低可能導致昂貴組件的報廢，從而增加生產(chǎn)成本。

  Vanguard Automation 結(jié)合被動對準與 3D 納米打印技術(shù)，提供了一種突破性解決方案。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多通道設(shè)備的光子集成，生產(chǎn)更復雜的設(shè)備，同時提高良品率并降低成本。與傳統(tǒng)制造方法依賴于專用工具不同，3D打印基于軟件定義模型，這消除了傳統(tǒng)工具準備過程中的長周期，顯著縮短了復雜自由形狀光學組件和波導的生產(chǎn)周期，實現(xiàn)從原型開發(fā)到量產(chǎn)的高效轉(zhuǎn)化。3D納米打印技術(shù)能夠提供100%的可重復使用性，使得系統(tǒng)可以輕松適應(yīng)不同的產(chǎn)品需求和生產(chǎn)線，從而減少生產(chǎn)過程中的浪費并加速開發(fā)進程。

  綜上所述，Vanguard的光子集成解決方案，包括行業(yè)驗證的設(shè)備、通過Telcordia認證的材料以及簡化的3D打印光學組件，并結(jié)合被動對準技術(shù)，能夠幫助行業(yè)實現(xiàn)高良品率、低損耗和高密度光子集成的目標。其光子引線鍵合技術(shù)整合不同光學集成平臺的優(yōu)勢，能在先進的光子多芯片模塊中實現(xiàn)高性能、緊湊性和設(shè)計靈活性。Vanguard的技術(shù)還通過光芯片和光纖上的表面貼裝微透鏡，實現(xiàn)了低損耗耦合、較大的對準公差，并支持晶圓級光學器件測試。全自動、高度可重復且可靠的Vanguard SYMPHONY解決方案已被研究機構(gòu)和行業(yè)客戶用于下一代光子集成和封裝，助力行業(yè)邁向新階段。

  FURTHER READING / REFERENCE

  [1] Aeponyx Lightwave Webinar - https://www.aeponyx.com/lightwave-webinar

  [2] Y. Mizuno et al., “Low Insertion Loss 128-Gbaud HB-CDM with 3D-Printed Spot Size Converter Integrated InP-based Modulator,” 2023 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), San Diego, CA, USA, 2023, pp. 1-3, doi: 10.1364/OFC.2023.Th2A.8

  [3] Y. Chen et al., “Self-Injection-Locked Kerr Soliton Microcombs with Photonic Wire Bonds For Use in Terahertz Communications,” in CLEO 2023, Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2023), paper STh3J.1. Link to article

  [4] Y. Chen et al., “Frequency-Agile Self-Injection-Locked Lasers With sub-100 Hz Linewidth based on In-Package Photonic Wire Bonds,” in CLEO 2023, Technical Digest Series (Optica Publishing Group, 2023), paper STu4P.4. Link to article

  [5] B. Lin et al., “Cryogenic Optical Packaging Using Photonic Wire,” July 2023. Link to article[6] POET Technologies News - March 6, 2023 - https://poet-technologies.com/news/2023-mar-6.html

  [7] Y. Xu et al., “3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly,” Light: Advanced Manufacturing, 4, 3(2023). doi: 10.37188/lam.2023.003

  [8] P. Maier et al., “3D-printed facet-attached optical elements for connecting VCSEL and photodiodes to fiber arrays and multi-core fibers,” Opt. Express, 30, 46602-46625 (2022). Link to article

  [9] OPHELLIA: On-chip Photonics Erbium-doped Laser for Lidar Applications. More info

  [10] S. Singer et al., “3D-printed facet-attached optical elements for beam shaping in optical phased arrays,” Opt. Express, 30, 46564-46574 (2022). Link to article

  [11] Y. Xu et al., “Superconducting nanowire single-photon detector with 3D-printed free-form microlenses,” Opt. Express, 29, 27708-27731 (2021). Link to article

  [12] V. Deenadayalan et al., “Packaged Tunable Single Mode III-V Laser Hybrid Integrated on a Silicon Photonic Integrated Chip using Photonic Wire Bonding,” 2024 IEEE ECTC, Denver, CO, USA, 2024, pp. 1387-1391, doi: 10.1109/ECTC51529.2024.00226

  關(guān)于Vanguard Automation公司

  Vanguard公司成立于2017年，位于德國卡爾斯魯厄，是德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)孵化企業(yè)，公司獨創(chuàng)3D打印光子引線鍵合(Photonic Wire Bonding, PWB)和微光學組件技術(shù)，專注于光子集成芯片耦合和封裝應(yīng)用。Vanguard的設(shè)備和技術(shù)廣泛應(yīng)用在光電子集成芯片封裝制造領(lǐng)域，包括電信/數(shù)據(jù)通信高速光模塊、3D傳感、光計算等方向。

  作為Vanguard公司在中國的戰(zhàn)略合作伙伴，凌云光將全面負責其光子引線鍵合(PWB)和3D打印端面微光學技術(shù)及封裝設(shè)備的市場營銷與技術(shù)服務(wù)工作，助力光通信行業(yè)和光子集成芯片封裝的技術(shù)升級和發(fā)展。更多詳情，歡迎瀏覽凌云光官方網(wǎng)站www.lusterinc.com，或者撥打凌云光電話400-829-1996。