未来光子技术革新：全自动光子引线键合(PWB)与表面贴装微透镜(FaML)技术应用与前景

12/13/2024，光纤在线讯，本文介绍了光子技术领域的两项创新成果——全自动光子引线键合(PWB)和表面贴装微透镜(FaML)技术。这些技术由Vanguard开发，结合3D纳米打印和被动对准技术，显著提高了光学器件的封装效率和成本效益。通过SYMPHONY自动化解决方案，Vanguard提供从原型设计到大规模生产的完整路径，已在数据中心等领域取得成功应用，为高效、高精度的光子集成开辟了新前景。

01.光子集成面临的挑战与未来解决方案
      随着人工智能（AI）、云计算和 5G 技术的快速发展，现代社会对数据处理速度和容量的需求呈指数级增长。制造商因此不断探索更高效、更紧凑且功能丰富的产品解决方案。然而，传统电子技术在应对数据激增方面的局限性日益凸显。光子集成技术凭借其高传输速率、低能耗和高集成密度，成为未来技术革新与规模化生产的关键推动力。

      光子集成电路（PICs）和光学元件的应用极大提升了数据传输速度、能源效率和设备小型化。但这些技术的封装和集成难题仍制约其批量化生产。光子器件的封装成本通常占最终产品价格的 60%~80%，成为主要瓶颈。尽管主动对准技术适用于单通道集成，但在高密度1D和2D光通道阵列上的批量化生产仍面临巨大的挑战。

      光学模块由多种光学特性不同的组件组成，如有源组件（磷化铟激光器）、无源组件（硅、氮化硅或铌酸锂制成）以及单模光纤或偏振保持光纤阵列等。这些组件的特性差异使集成过程面临诸多挑战。因此，工业大规模生产亟需解决因光学差异带来的问题。为降低耦合损失，必须精确匹配各器件模式场分布并实现高精度对准。高效、可重复的对准过程对提升生产效率和良品率至关重要，直接影响成本与产量。此外，封装后的光学组件需在不同应用环境中保持高稳定性，对准精度通常需达到亚微米甚至纳米级。这些复杂性导致光子器件的制造成本远高于传统电子器件，良品率也较低。因此，未来需要采用全新的解决方法来应对这些挑战。

02.Vanguard创新被动对准与3D纳米打印技术
      面对光子集成的挑战，德国Vanguard Automation公司创新性地引入被动对准、机器视觉和增材制造（3D打印）技术，简化了光子器件连接方式，为高密度集成光子器件批量生产和封装开辟了新路径。

      Vanguard借鉴半导体行业电信号引线键合 (Wire Bonding) 的思路，将这一概念引入光信号领域（见图 1）。采用高精度直接写入的3D激光光刻工艺，制造出微米级长度的 3D 自由形状光波导，即“光子引线（Photonic Wire）”，将光完全束缚在波导内部，确保低损耗和高容差的传输性能。光子引线键合（Photonic Wire Bonding）是一种自动化工艺，具有高度的设计灵活性。此外，Vanguard还运用3D纳米打印技术来制造光学芯片和光纤上的表面贴装微透镜（Face-attached Micro Lens, FaML），实现低损耗的光耦合，放宽对准容差，并支持晶圆级别的光学器件边缘耦合测试。

      
图1 半导体集成电路电子引线键合(左)和Vanguard光子引线键合(右)

      Vanguard 将光子引线键合 (PWB) 和表面贴装微透镜 (FaML) 技术整合，形成可扩展的 3D 纳米制造解决方案，提供从原型设计到大规模生产的无缝过渡路径，有效解决光子器件封装中高成本、高精度要求的痛点。

Vanguard 提供一套完整的全自动化解决方案——Vanguard SYMPHONY，包含两大核心系统：
·     Vanguard SONATA 1000：用于光子引线连接和表面贴装微透镜的制造。

·     Vanguard REPRISE 1000：用于光学组件的后处理，实现全自动封装流程。

      Vanguard SYMPHONY 集成了 BrightWire3D 软件，提供高度自动化的接口检测，检测精度 <50 纳米，动态计算最佳的光子引线连接路径。此外，Vanguard 还提供了专门定制的光刻胶（VanCore 系列），满足工业级的可靠性标准，并支持标准化的工艺流程和工程服务，帮助客户快速从原型开发过渡到量产阶段（见图 2）。

      
图 2：Vanguard Symphony是Vanguard Automation 的全自动光子集成和封装解决方案，包括基于 3D 光刻纳米制造技术的自动化单元 Sonata 1000 和用于预处理及后处理的自动化单元 Reprise 1000。这些系统配备了 Vanguard 的 BrightWire3D 软件，能够实现高精度检测和实时轨迹计算。此外，Vanguard 提供自研光刻胶（VanCore 系列）、标准工艺开发、产品支持以及工程服务，形成从原型开发到大规模量产的完整解决方案

03.Vanguard技术的市场应用与成功案例
      Vanguard 的 3D 纳米打印技术广泛应用，推动了围绕其技术的生态系统发展。客户和合作伙伴利用光子引线键合和表面贴装微透镜技术，解决了混合模块封装和集成中的各种难题。

      在数据中心、电信和人工智能等关键市场，Vanguard的光子引线键合工艺已被应用于硅、氮化硅、磷化铟和铌酸锂等多种材料平台【1】，推动了混合集成概念的发展。其独特优势在于支持一个耦合设计工具包（PDK）连接不同类型的光学组件，兼容所有学术和商业晶圆厂。同时，Vanguard 的解决方案支持使用简单的逆锥形边缘耦合器（Inverse Tapered Edge Coupler），无需复杂的模式场转换器（Spot Size Converter），减少芯片设计中复杂耦合器的占用面积，为建立通用光学耦合标准奠定基础。PWB 技术已成功应用于 Kerr Soliton 微型频梳和亚100Hz线宽激光器的开发【3, 4】，并通过了相关领域超低温实验中测试【5】。此外，Vanguard的表面贴装微光学元件技术显著提高了高带宽相干驱动调制器（HB-CDM）的效率【2】。其专用光刻胶系列 VanCore针对严格的工业 Telcordia 可靠性要求量身定制，可在最严苛的环境条件下保持可靠性【2】（见图3）。

      表面贴装微透镜技术已成功用于电光引擎的构建，例如光收发器、共封装光学 (Co-Packaged Optics)、光引擎和传感设备【6】。结合Vanguard的技术，显著提升了光在光子器件之间传输的耦合效率，从而降低了整个系统的功耗【见图3】。

      通过晶圆级精准对准和打印表面贴装微透镜，Vanguard实现了规模化生产能力，并增强了应对新兴应用需求的能力【6, 7, 8, 9】。其微透镜技术已成功应用于光束整形元件【10】；并在相关领域中增加了超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的有效收集区域，成功解决了此类设备的设计瓶颈【11】。

      
图 3：Vanguard Automation 的工业级表面贴装微透镜技术，兼容多种应用，并已广泛通过行业标准测试

04.将3D光刻技术整合进生产链的可扩展路径
      Vanguard Automation通过其互补技术组合（包括光子线键合和表面贴装微透镜技术），为大规模生产客户提供了一条简化的路径，将其技术融入现有生产链中（见图4）。

      
图 4：Vanguard Automation 利用 3D 光刻技术将光子集成引入生产链的实施路径

      第一步：通过与传统技术（如主动对准）相结合的混合方法，将 Vanguard 技术引入现有生产链，可以提升耦合效率和生产良率，同时无需对现有生产工艺链进行重大调整【2】。

      第二步：在产品中引入光束扩展微透镜，这有助于缓解光子集成电路（PICs）和其他光学组件（如InP激光器和光纤）的定位容差问题。从而优化对准容差，使被动组装成为可行工艺【9】。

      最终步骤：将光子引线键合技术集成到产品设计中，可全面释放光子集成和封装的颠覆性潜力，实现多芯片混合集成的元件均的标准化拾取和放置，同时优化定位容差，确保高耦合效率和高良品率，并且支持快速制造和高封装密度【12】。

05.高产率、低成本与高效益的光子集成解决方案
      光子集成技术为行业带来了显著优势，但现有制造方法在生产吞吐量和成本之间存在权衡。传统的光子集成方法，尤其是主动对准技术，虽适用于单通道设备，但在处理复杂、高密度的阵列时，往往会出现生产瓶颈，导致设备成本上升并影响良品率。

      例如，连接单根光纤相对简单，但当光纤通道数量增加到八个或更多时，复杂性会显著增加。传统技术在处理这种复杂性时常表现不佳，导致良品率下降。以高性能系统为例，假设有八个数据通道，每个通道传输速率为100 Gbps，这些通道连接到激光条等昂贵组件。随着通道数量的增加，光子集成的密度提高，保持高良品率变得尤为关键。光子组件（如激光器）成本较高，良品率过低可能导致昂贵组件的报废，从而增加生产成本。

      Vanguard Automation 结合被动对准与 3D 纳米打印技术，提供了一种突破性解决方案。该技术能够实现多通道设备的光子集成，生产更复杂的设备，同时提高良品率并降低成本。与传统制造方法依赖于专用工具不同，3D打印基于软件定义模型，这消除了传统工具准备过程中的长周期，显著缩短了复杂自由形状光学组件和波导的生产周期，实现从原型开发到量产的高效转化。3D纳米打印技术能够提供100%的可重复使用性，使得系统可以轻松适应不同的产品需求和生产线，从而减少生产过程中的浪费并加速开发进程。

      综上所述，Vanguard的光子集成解决方案，包括行业验证的设备、通过Telcordia认证的材料以及简化的3D打印光学组件，并结合被动对准技术，能够帮助行业实现高良品率、低损耗和高密度光子集成的目标。其光子引线键合技术整合不同光学集成平台的优势，能在先进的光子多芯片模块中实现高性能、紧凑性和设计灵活性。Vanguard的技术还通过光芯片和光纤上的表面贴装微透镜，实现了低损耗耦合、较大的对准公差，并支持晶圆级光学器件测试。全自动、高度可重复且可靠的Vanguard SYMPHONY解决方案已被研究机构和行业客户用于下一代光子集成和封装，助力行业迈向新阶段。

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

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。

      作为Vanguard公司在中国的战略合作伙伴，凌云光将全面负责其光子引线键合（PWB）和3D打印端面微光学技术及封装设备的市场营销与技术服务工作，助力光通信行业和光子集成芯片封装的技术升级和发展。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。