应用分享丨光子引线键合（PWB）与3D打印光学微透镜技术在混合集成外腔激光器中的创新应用
发布时间：2024-10-25 19:29:13 热度：997
10/25/2024，光纤在线讯，可调激光器在集成光学中起着关键作用，尤其是混合集成外腔激光器（ECL），因为它能够有效结合直接带隙III-V材料增益元件的光学放大与先进的被动光子集成电路（PIC）所提供的可调光反馈。这种反馈电路可通过硅光子（SiP）平台或氮化硅（Si3N4）波导实现，后者具备比硅光子电路更低的线性和非线性损耗。这种设计不仅提升了基于谐振腔反馈电路的内在Q因子，还消除了在高功率条件下的双光子吸收（TPA），显著降低相位噪声，最终实现小线宽输出。
然而，将III-V增益元件和可调外腔电路在芯片级封装中的共同集成依然面临挑战。一种集成方法称为“异构集成”，即将III-V材料层（如InGaAsP）直接转移到已有的硅或氮化硅PIC电路上，这样可以实现高密度单片集成。但是，这个过程涉及到的工艺非常复杂，主要应用在硅光子平台上，但技术难度和成本都很高。
另一种方法是将III-V芯片和被动反馈电路分别加工在不同衬底上，然后在紧凑的多芯片模块中进行混合集成。这种方法允许单独优化和测试每个组件，并促进增益元件与温度敏感反馈电路之间的热解耦。然而，混合光子多芯片模块的组装极度依赖基础光学芯片的高精密对准。为确保各个芯片之间的光耦合效率，需要在组装过程中进行“主动对准”，即不断调整和优化。这种复杂的操作会降低制造速度和效率，因此难以实现大规模、成本效益高的生产。
新型基于Si3N4的混合集成ECL
本文通过实验验证了一种新型的基于Si3N4的混合集成ECL，采用光子引线键合（PWB）技术，将其用作反射半导体光放大器（RSOA）和外部反馈电路之间的耦合元件。PWB是在一个完全自动化的工艺过程中原位（in-situ）制造的，这意味着它们是在装配过程中直接定制成型。这种定制设计能够使PWB的形状与两端芯片的模式场大小和位置精确匹配。即使不同波导的截面尺寸差异很大，或者芯片的放置精度有局限性，PWB仍然能实现低耦合损耗。该设计减少了对主动对准的依赖，从而提高了制造效率和可扩展性。
在概念验证实验中，团队展示的ECL具备90 nm的调谐范围（1480 nm–1570 nm），芯片输出功率超过12 dBm，边模抑制比（SMSR）高达59 dB。研究团队实现了979 Hz的本征线宽，这在类似的反馈架构中是非常低的值。在实际应用中，PWB作为腔内耦合元件的光学损耗约为1.6 ± 0.2 dB。
在输出端，Si3N4反馈电路通过3D打印的附面微透镜（FaML）与单模光纤阵列相连接，微透镜能够高效地将光信号耦合至光纤中。3D打印技术的优势在于可以精确定制微透镜的形状，以满足不同应用的特定需求。为了验证这款ECL的性能和应用潜力，研究团队将其用作窄线宽可调谐泵浦激光器，以生成耗散Kerr孤子（DKS）频率梳，展示了在高性能光学系统中的巨大潜力和广泛的应用前景。
图1. 带有3D打印腔内光子引线键合（PWB）和附面微透镜（FaML）的混合集成ECL模块的概念示意图
该设备由两个芯片构成，均安装在一个公共铝基座上：一个是安装在铜散热器上的InP反射型半导体光放大器（RSOA），另一个是基于Si3N4的外腔电路，输出端连接到光纤阵列。设备通过附在铝基座上的PCB进行控制，PCB与基座紧密相连。
图1(b)InP RSOA和Si3N4芯片的俯视图。Si3N4芯片包含一个采用Vernier调谐的椭圆形谐振器R1和R2的Sagnac环镜、一个腔相调谐器（CPT），以及基于MZI的可调输出耦合器。InP RSOA的后面端面经过高反射（HR）涂层处理，前面则具有抗反射（AR）涂层，且前面以9.0°的角度切割。PWB用于填补RSOA前面与Si3N4芯片上边缘耦合器（EC）之间的306 μm间隙，该边缘耦合器由一条锥形波导（WG）组成，倾斜角度为19.9°。PWB的应用使得即便芯片两端的发射方向不匹配，也能实现良好的光耦合，体现了设备在芯片对准和光学连接上的灵活性。
在该设备中，CPT的长度为1 mm，Vernier椭圆形谐振器的周长分别为885.1 μm（R1）和857.4 μm（R2）。四个辅助波导（WG2至WG5）和输出波导（WG1）被布置在Si3N4芯片边缘，并与相应的渐变EC连接，间距为127 μm。所有五个波导端口通过3D打印的FaML与单模光纤（SMF）阵列耦合。
图1(c)展示了模块的侧视图。每个PWB的端部配备了额外的连接结构，以增强机械稳定性。Si3N4的椭圆形谐振器、MZI和CPT通过热相位调谐器进行调节，CPT用于调整腔回路相位，以确保最大镜面反射率对应的波长为2π的整数倍。基于MZI的可调输出耦合器则用于设置从激光腔中提取的光与反馈到RSOA的光之间的比例。
ECL模块组装与性能表征
在模块组装的第一步中，RSOA通过导电胶粘贴到铜散热器上，随后与Si3N4芯片粗略对准，并一起固定在铝基座上（如图1(a)所示）。铝基座上的阶梯结构用于调整RSOA芯片与Si3N4外腔芯片波导层的高度。PWB轨迹取决于RSOA和Si3N4外腔芯片端面的具体位置和发射方向，如图1(b)所示。
外腔（EC）依赖于光点尺寸转换器（SSC），其设计通过减小Si3N4顶层的厚度和两个叠层Si3N4条带的宽度，同时保持中间SiO?层的厚度不变。在我们的设备中，顶层Si3N4的厚度从常规的175 nm逐渐减小到接近端面的零厚度，最终仅保留底层Si3N4条带的75 nm厚度。
在芯片输入处，Si3N4条带的初始宽度为2 μm，并在锥形部分的末端减小到标准宽度1.1 μm。这种设计使得测得的椭圆模式场尺寸为7.2 μm（水平）和4.6 μm（垂直）。为了最佳地与芯片端面的模式场尺寸匹配，PWB的矩形截面设计为宽度8.0 μm和高度5.0 μm。
在实施中，PWB填补了RSOA与Si3N4芯片之间306 μm的间隙。RSOA侧的PWB具有初始横截面4.0 μm × 4.0 μm，以匹配RSOA端面的模式场尺寸。PWB的横截面随后减少到常规的2.4 μm × 2.0 μm。在Si3N4芯片的端面，PWB上调至上述的最终横截面8.0 μm × 5.0 μm，以连接到片上Si3N4外腔。PWB在这两段之间保持常量横截面2.4 μm × 2.0 μm，同时轨迹描绘出一个弧形，以顺利连接两端的边缘耦合波导（WG），尽管它们的发射方向差异显著。在RSOA和Si3N4芯片的端面上打印的附加结构改善了PWB的机械稳定性，如图1(c)所示。
Si3N4芯片的输出端依赖于五个相同的附面微透镜（FaML），这些透镜被打印到光纤阵列（FA）的端面。这些FaML是专门为外腔芯片的输出端设计，以便与光纤阵列（波导端口1-5）进行有效耦合。外腔再次依赖一对Si3N4条带，这些条带从标准宽度1.1 μm向端面缩减至最终宽度0.8 μm，底部的Si3N4层保持75 nm的恒定厚度，而上层的厚度则从175 nm降至零。
通过这种设计，最终的模式场尺寸在两个方向上均为7.5 μm。FaML的长度为70 μm，提供了透镜尖端与Si3N4波导端面之间的工作距离为50 μm。因此，FA与Si3N4芯片端面之间的距离为120 μm，如图1(b)所示。
PWB和FaML均采用一种负光刻胶材料（VanCoreA，Vanguard Automation GmbH，德国；折射率n = 1.53）通过原位多光子光刻技术制造。制造完成的PWB和FaML在PGMEA中显影，随后用异丙醇冲洗并进行吹干。FA上FaML的制作是在PWB制造之后的一个独立步骤，使用3D打印技术完成，并由定制的贴装机组装。
图2(a)展示了完全组装的ECL模块的显微镜图像，包括假色的PWB和相应截面的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及FA上五个FaML的显微镜图像。
图2. ECL模块的实现和性能表征
(a) 根据图1(a)组装的ECL模块的显微镜图像。插图(i) 展示了扫描电子显微镜（SEM）图像，该图像通过虚假着色处理，展示了光子引线键合（PWB）在RSOA和Si3N4芯片之间的连接。通过不同位置的横截面标记，可以观察到PWB在光传播过程中的形状变化及其对光学耦合的影响。插图(ii)展示了光纤阵列（FA）上的五个附面微透镜（FaML）的显微镜图像。它们的间距为127 μm，并且正对着Si3N4芯片上相应的波导端口（Ports 1至5）。这种设计确保了光纤和波导之间的高效耦合，减少了光损耗。
(b) 在1550 nm波长下，ECL模块的输出功率（Pout）与注入电流（I）之间的关系。可以观察到阈值电流为19 mA，平均斜率效率为132 mW/A（用虚线直线拟合）。
(c) ?展示了在注入电流为100 mA时，ECL的激光光谱叠加图。激光的调谐范围为1480 nm至1570 nm，以5 nm的步幅进行调谐。在1525 nm附近，最大芯片输出功率达到12 dBm。
(d) 展示了FM噪声谱，包含拟合的蓝色虚线。固有（洛伦兹）线宽为δf = πS0 = 979 Hz，这一数值通过实线拟合得到。
PWB和3D打印光学微透镜技术在混合集成ECL中的关键作用
本研究还详细验证了混合集成ECL的多功能性，该设备成功用作窄线宽可调谐泵浦激光器，并首次在高品质因数的Si3N4微谐振器中实现了单孤子Kerr频率梳的生成（详细内容请参见《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》，第41卷，第11期，2023年6月）。频率可调的混合集成ECL在相干通信、光学相干断层扫描（OCT）等领域中具有潜在的应用前景。
本文探讨了PWB和FaML技术在混合集成ECL中的关键作用，分析了它们在提升激光器性能、降低制造成本以及简化组装过程方面的贡献。PWB技术通过高效的光连接实现了III-V增益元件与被动光子集成电路之间的无缝耦合，消除了传统组装中对高精度对准的依赖。该技术采用多光子光刻工艺，能够在制造过程中原位定制形状，适应不同芯片之间的模式场尺寸和位置差异，从而确保低耦合损耗。
FaML技术利用先进的3D打印技术制造微光学结构，实现超高的定位精度和优良的光束整形效果，显著减少光损耗并实现更高的传输效率。该技术能够根据具体应用需求精确设计微透镜的几何形状和结构，从而优化光耦合效果，并保证产品质量的一致性。
PWB和FaML技术的结合为满足不断增长的市场需求提供了强有力的支持，推动光子集成电路的发展，提升光电子器件的整体竞争力。
如需了解这两项技术及相关产品的详细信息，请联系凌云光公司400-829-1996。
参考文献：Maier, Pascal, et al. “Sub-kHz-Linewidth External-Cavity Laser (ECL) With Si3N4 Resonator Used as a Tunable Pump for a Kerr Frequency Comb.” *Journal of Lightwave Technology*, vol. 41, no. 11, June 2023, pp. 3479–3490.
关于Vanguard Automation公司
Vanguard公司成立于2017年，位于德国卡尔斯鲁厄，是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）孵化企业，公司独创3D打印光子引线键合(Photonic Wire Bonding, PWB)和微光学组件技术，专注于光子集成芯片耦合和封装应用。Vanguard的设备和技术广泛应用在光电子集成芯片封装制造领域，包括电信/数据通信高速光模块、3D传感、光计算等方向。
关于凌云光技术股份有限公司
凌云光（股票代码：688400）是一家以光技术创新为基础，围绕机器视觉与光纤光学开展业务的高科技企业。公司致力于成为视觉人工智能与光电信息领域的全球领导者。在光纤光学领域，凌云光深耕科学通信、电信通信、数据通信、光纤激光和光纤传感等五大应用领域，结合国际先进技术与自主研发产品，为客户提供高品质的光纤器件与仪器解决方案，助力中国光技术领域的科技进步和产业化发展。更多详情，欢迎浏览凌云光官方网站www.lusterinc.com，或者拨打凌云光电话400-829-1996。
然而，将III-V增益元件和可调外腔电路在芯片级封装中的共同集成依然面临挑战。一种集成方法称为“异构集成”，即将III-V材料层（如InGaAsP）直接转移到已有的硅或氮化硅PIC电路上，这样可以实现高密度单片集成。但是，这个过程涉及到的工艺非常复杂，主要应用在硅光子平台上，但技术难度和成本都很高。
另一种方法是将III-V芯片和被动反馈电路分别加工在不同衬底上，然后在紧凑的多芯片模块中进行混合集成。这种方法允许单独优化和测试每个组件，并促进增益元件与温度敏感反馈电路之间的热解耦。然而，混合光子多芯片模块的组装极度依赖基础光学芯片的高精密对准。为确保各个芯片之间的光耦合效率，需要在组装过程中进行“主动对准”，即不断调整和优化。这种复杂的操作会降低制造速度和效率，因此难以实现大规模、成本效益高的生产。
新型基于Si3N4的混合集成ECL
本文通过实验验证了一种新型的基于Si3N4的混合集成ECL，采用光子引线键合（PWB）技术，将其用作反射半导体光放大器（RSOA）和外部反馈电路之间的耦合元件。PWB是在一个完全自动化的工艺过程中原位（in-situ）制造的，这意味着它们是在装配过程中直接定制成型。这种定制设计能够使PWB的形状与两端芯片的模式场大小和位置精确匹配。即使不同波导的截面尺寸差异很大，或者芯片的放置精度有局限性，PWB仍然能实现低耦合损耗。该设计减少了对主动对准的依赖，从而提高了制造效率和可扩展性。
在概念验证实验中，团队展示的ECL具备90 nm的调谐范围（1480 nm–1570 nm），芯片输出功率超过12 dBm，边模抑制比（SMSR）高达59 dB。研究团队实现了979 Hz的本征线宽，这在类似的反馈架构中是非常低的值。在实际应用中，PWB作为腔内耦合元件的光学损耗约为1.6 ± 0.2 dB。
在输出端，Si3N4反馈电路通过3D打印的附面微透镜（FaML）与单模光纤阵列相连接，微透镜能够高效地将光信号耦合至光纤中。3D打印技术的优势在于可以精确定制微透镜的形状，以满足不同应用的特定需求。为了验证这款ECL的性能和应用潜力，研究团队将其用作窄线宽可调谐泵浦激光器，以生成耗散Kerr孤子（DKS）频率梳，展示了在高性能光学系统中的巨大潜力和广泛的应用前景。
图1. 带有3D打印腔内光子引线键合（PWB）和附面微透镜（FaML）的混合集成ECL模块的概念示意图
该设备由两个芯片构成，均安装在一个公共铝基座上：一个是安装在铜散热器上的InP反射型半导体光放大器（RSOA），另一个是基于Si3N4的外腔电路，输出端连接到光纤阵列。设备通过附在铝基座上的PCB进行控制，PCB与基座紧密相连。
图1(b)InP RSOA和Si3N4芯片的俯视图。Si3N4芯片包含一个采用Vernier调谐的椭圆形谐振器R1和R2的Sagnac环镜、一个腔相调谐器（CPT），以及基于MZI的可调输出耦合器。InP RSOA的后面端面经过高反射（HR）涂层处理，前面则具有抗反射（AR）涂层，且前面以9.0°的角度切割。PWB用于填补RSOA前面与Si3N4芯片上边缘耦合器（EC）之间的306 μm间隙，该边缘耦合器由一条锥形波导（WG）组成，倾斜角度为19.9°。PWB的应用使得即便芯片两端的发射方向不匹配，也能实现良好的光耦合，体现了设备在芯片对准和光学连接上的灵活性。
在该设备中，CPT的长度为1 mm，Vernier椭圆形谐振器的周长分别为885.1 μm（R1）和857.4 μm（R2）。四个辅助波导（WG2至WG5）和输出波导（WG1）被布置在Si3N4芯片边缘，并与相应的渐变EC连接，间距为127 μm。所有五个波导端口通过3D打印的FaML与单模光纤（SMF）阵列耦合。
图1(c)展示了模块的侧视图。每个PWB的端部配备了额外的连接结构，以增强机械稳定性。Si3N4的椭圆形谐振器、MZI和CPT通过热相位调谐器进行调节，CPT用于调整腔回路相位，以确保最大镜面反射率对应的波长为2π的整数倍。基于MZI的可调输出耦合器则用于设置从激光腔中提取的光与反馈到RSOA的光之间的比例。
ECL模块组装与性能表征
在模块组装的第一步中，RSOA通过导电胶粘贴到铜散热器上，随后与Si3N4芯片粗略对准，并一起固定在铝基座上（如图1(a)所示）。铝基座上的阶梯结构用于调整RSOA芯片与Si3N4外腔芯片波导层的高度。PWB轨迹取决于RSOA和Si3N4外腔芯片端面的具体位置和发射方向，如图1(b)所示。
外腔（EC）依赖于光点尺寸转换器（SSC），其设计通过减小Si3N4顶层的厚度和两个叠层Si3N4条带的宽度，同时保持中间SiO?层的厚度不变。在我们的设备中，顶层Si3N4的厚度从常规的175 nm逐渐减小到接近端面的零厚度，最终仅保留底层Si3N4条带的75 nm厚度。
在芯片输入处，Si3N4条带的初始宽度为2 μm，并在锥形部分的末端减小到标准宽度1.1 μm。这种设计使得测得的椭圆模式场尺寸为7.2 μm（水平）和4.6 μm（垂直）。为了最佳地与芯片端面的模式场尺寸匹配，PWB的矩形截面设计为宽度8.0 μm和高度5.0 μm。
在实施中，PWB填补了RSOA与Si3N4芯片之间306 μm的间隙。RSOA侧的PWB具有初始横截面4.0 μm × 4.0 μm，以匹配RSOA端面的模式场尺寸。PWB的横截面随后减少到常规的2.4 μm × 2.0 μm。在Si3N4芯片的端面，PWB上调至上述的最终横截面8.0 μm × 5.0 μm，以连接到片上Si3N4外腔。PWB在这两段之间保持常量横截面2.4 μm × 2.0 μm，同时轨迹描绘出一个弧形，以顺利连接两端的边缘耦合波导（WG），尽管它们的发射方向差异显著。在RSOA和Si3N4芯片的端面上打印的附加结构改善了PWB的机械稳定性，如图1(c)所示。
Si3N4芯片的输出端依赖于五个相同的附面微透镜（FaML），这些透镜被打印到光纤阵列（FA）的端面。这些FaML是专门为外腔芯片的输出端设计，以便与光纤阵列（波导端口1-5）进行有效耦合。外腔再次依赖一对Si3N4条带，这些条带从标准宽度1.1 μm向端面缩减至最终宽度0.8 μm，底部的Si3N4层保持75 nm的恒定厚度，而上层的厚度则从175 nm降至零。
通过这种设计，最终的模式场尺寸在两个方向上均为7.5 μm。FaML的长度为70 μm，提供了透镜尖端与Si3N4波导端面之间的工作距离为50 μm。因此，FA与Si3N4芯片端面之间的距离为120 μm，如图1(b)所示。
PWB和FaML均采用一种负光刻胶材料（VanCoreA，Vanguard Automation GmbH，德国；折射率n = 1.53）通过原位多光子光刻技术制造。制造完成的PWB和FaML在PGMEA中显影，随后用异丙醇冲洗并进行吹干。FA上FaML的制作是在PWB制造之后的一个独立步骤，使用3D打印技术完成，并由定制的贴装机组装。
图2(a)展示了完全组装的ECL模块的显微镜图像，包括假色的PWB和相应截面的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及FA上五个FaML的显微镜图像。
图2. ECL模块的实现和性能表征
(a) 根据图1(a)组装的ECL模块的显微镜图像。插图(i) 展示了扫描电子显微镜（SEM）图像，该图像通过虚假着色处理，展示了光子引线键合（PWB）在RSOA和Si3N4芯片之间的连接。通过不同位置的横截面标记，可以观察到PWB在光传播过程中的形状变化及其对光学耦合的影响。插图(ii)展示了光纤阵列（FA）上的五个附面微透镜（FaML）的显微镜图像。它们的间距为127 μm，并且正对着Si3N4芯片上相应的波导端口（Ports 1至5）。这种设计确保了光纤和波导之间的高效耦合，减少了光损耗。
(b) 在1550 nm波长下，ECL模块的输出功率（Pout）与注入电流（I）之间的关系。可以观察到阈值电流为19 mA，平均斜率效率为132 mW/A（用虚线直线拟合）。
(c) ?展示了在注入电流为100 mA时，ECL的激光光谱叠加图。激光的调谐范围为1480 nm至1570 nm，以5 nm的步幅进行调谐。在1525 nm附近，最大芯片输出功率达到12 dBm。
(d) 展示了FM噪声谱，包含拟合的蓝色虚线。固有（洛伦兹）线宽为δf = πS0 = 979 Hz，这一数值通过实线拟合得到。
PWB和3D打印光学微透镜技术在混合集成ECL中的关键作用
本研究还详细验证了混合集成ECL的多功能性，该设备成功用作窄线宽可调谐泵浦激光器，并首次在高品质因数的Si3N4微谐振器中实现了单孤子Kerr频率梳的生成（详细内容请参见《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》，第41卷，第11期，2023年6月）。频率可调的混合集成ECL在相干通信、光学相干断层扫描（OCT）等领域中具有潜在的应用前景。
本文探讨了PWB和FaML技术在混合集成ECL中的关键作用，分析了它们在提升激光器性能、降低制造成本以及简化组装过程方面的贡献。PWB技术通过高效的光连接实现了III-V增益元件与被动光子集成电路之间的无缝耦合，消除了传统组装中对高精度对准的依赖。该技术采用多光子光刻工艺，能够在制造过程中原位定制形状，适应不同芯片之间的模式场尺寸和位置差异，从而确保低耦合损耗。
FaML技术利用先进的3D打印技术制造微光学结构，实现超高的定位精度和优良的光束整形效果，显著减少光损耗并实现更高的传输效率。该技术能够根据具体应用需求精确设计微透镜的几何形状和结构，从而优化光耦合效果，并保证产品质量的一致性。
PWB和FaML技术的结合为满足不断增长的市场需求提供了强有力的支持，推动光子集成电路的发展，提升光电子器件的整体竞争力。
如需了解这两项技术及相关产品的详细信息，请联系凌云光公司400-829-1996。
参考文献：Maier, Pascal, et al. “Sub-kHz-Linewidth External-Cavity Laser (ECL) With Si3N4 Resonator Used as a Tunable Pump for a Kerr Frequency Comb.” *Journal of Lightwave Technology*, vol. 41, no. 11, June 2023, pp. 3479–3490.
关于Vanguard Automation公司
Vanguard公司成立于2017年，位于德国卡尔斯鲁厄，是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）孵化企业，公司独创3D打印光子引线键合(Photonic Wire Bonding, PWB)和微光学组件技术，专注于光子集成芯片耦合和封装应用。Vanguard的设备和技术广泛应用在光电子集成芯片封装制造领域，包括电信/数据通信高速光模块、3D传感、光计算等方向。
关于凌云光技术股份有限公司
凌云光（股票代码：688400）是一家以光技术创新为基础，围绕机器视觉与光纤光学开展业务的高科技企业。公司致力于成为视觉人工智能与光电信息领域的全球领导者。在光纤光学领域，凌云光深耕科学通信、电信通信、数据通信、光纤激光和光纤传感等五大应用领域，结合国际先进技术与自主研发产品，为客户提供高品质的光纤器件与仪器解决方案，助力中国光技术领域的科技进步和产业化发展。更多详情，欢迎浏览凌云光官方网站www.lusterinc.com，或者拨打凌云光电话400-829-1996。
