本文來自論文作者團隊投稿

導讀

之江實驗室虞紹良博士團隊和麻省理工學院合作者在Light: Advanced Manufacturing發表綜述文章，題為Two-photon lithography for integrated photonic packaging。

光電芯片作為半導體行業的后起之秀，在光互連、光計算、光傳感、激光雷達等領域有著重要的應用前景，成為各界的關注焦點，為后摩爾定律時代的發展開辟了新賽道。受益于成熟的半導體CMOS工藝，光電芯片的制備能力已經得到快速發展。

然而光電芯片的封裝工藝仍然存在關鍵技術瓶頸。光電芯片的封裝過程，除了我們所熟知的電信號的互連，還需考慮到光信號在不同模塊之間的耦合，這就需要解決光纖-芯片、芯片-芯片之間的光學互連問題。主要有以下兩大挑戰：

1、光學芯片涉及多種材料體系和結構，不同光束模場的尺寸和分布均存在較大差異，巧妙解決封裝過程中的模場失配問題，才能實現多種材料體系與結構間的高效耦合。

2、芯片上波導中光束尺寸在微米量級，需要高精度的對準才能得到高效耦合，對封裝過程的對準精度提出了更高的要求。

圖1：光電芯片封裝示意圖
圖源：課題組

基于雙光子吸收過程的雙光子光刻技術，作為一種微納尺寸下的三維打印工藝，可以高精度地制備任意的三維結構，有望解決光電芯片封裝過程的瓶頸。

一方面，可以在芯片上集成三維曲面或漸變波導結構，通過反射或者絕熱壓縮的方式進行光束整形，實現超寬波段的模場變換；

另一方面，三維結構的形貌具有很高的幾何自由度，增加了對片上模場操控的靈活性，從而實現更高效的耦合互連。

此外，雙光子光刻還可以在子模塊組裝完成之后再制備連接結構，有效降低了封裝過程中的對準精度要求。

因而，在光電芯片的封裝中，雙光子光刻技術有著重要的應用價值，也得到了廣泛的探索，目前主要有三種技術路線。

基于雙光子光刻的光學封裝方法

1 光子引線鍵合

借鑒自微電子中廣泛應用的引線鍵合，光子引線鍵合技術，采用雙光子光刻工藝，在待連接波導之間直接打印聚合物波導。通過波導截面的漸變，完成模場的絕熱變換，從而實現不同波導之間的高效互連。該方法已經在光互連和相干通信中得到了驗證，適用于光纖-芯片、芯片-芯片等多種應用場景。

2 微型自由曲面

在波導端面打印微型的光學自由曲面，以反射或者折射的形式，對波導出射光場進行整形，調控模場分布和傳播方向，從而完成模場變換。所采用的結構色散小，對波長不敏感，目前已經驗證了從可見到近紅外的超寬帶耦合，同時兼容晶圓級測試和封裝，可以實現高密度的互連封裝。

3 機械對準引導結構

雙光子光刻技術也可以用于打印機械對準引導結構，輔助實現耦合過程的高精度對準。在光柵耦合區域上打印倒錐結構，引導光纖的對準過程，在不引入顯著額外損耗的前提下，可以實現亞微米級的對準精度，有望在可插拔器件中得到應用。

圖2： (a)，雙光子光刻示意圖。(b)，光子引線。(c)，自由曲面。(d)，對準引導結構。
圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

商業化探索

隨著光電子芯片的逐步走向市場，基于雙光子光刻的封裝技術也開始了商業化探索。大規模的商業應用，除了關注帶寬、插損等耦合特性之外，還需要考慮更多因素。例如，雙光子光刻是否可以穩定可靠地制備高質量的三維結構，是否能夠滿足業界的加工速度和精度要求，是否具備用戶友好的易用性和維護性。

目前，已經有多個公司開拓了雙光子光刻的商業市場。NanoScribe、Vanguard、Heidelberg等公司已經推出了商用的雙光子光刻設備，在掃描速度、加工精度、對準精度等方面，取得了長足的進步，而Dream Photonics、PHIX等則以工藝服務為主，可以直接對外提供基于雙光子光刻的封裝服務。雙光子光刻技術在光電子芯片封裝中的應用，已向大規模商業化的發展踏出了堅實的一步。

圖3：三種切片方式：均勻切片、自適應切片和智能切片。
圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

未來展望

基于雙光子光刻工藝的封裝方法，經過十數年的探索，已經取得諸多進展，得到了各界廣泛的認可。但機遇始終與挑戰并存，在通信容量爆炸式增長的時代下，雙光子光刻工藝在光電芯片封裝中能否占據重要地位，需要判斷其能否滿足未來的大規模應用需求。基于此，作者也梳理了該領域的未來發展趨勢。

1 大幅提高制備效率

目前的逐點掃描方式，制備速度慢，難以滿足大規模生產的效率要求。一方面，可以通過多光束、逐層等新型雙光子曝光方式，提升制備速度。另一方面，也可以探索其他的制備工藝，例如納米壓印，則可以將串行的加工方式升級為并行，從而滿足晶圓級的制備需求。

圖4：三種曝光方式：逐點、逐層和多光束曝光。
圖源：Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023)

2 開發多類型光刻材料

雙光子光刻多數作用于光敏聚合物材料。相比于常規的半導體或介質材料，聚合物材料的熱膨脹系數大，折射率選擇范圍有限，長期穩定性較差。同時聚合物在交聯過程的收縮，也對三維結構的形貌控制帶來了一定的挑戰。探索有機-無機雜化的復合型光敏材料，能在一定程度上解決上述問題。

3 優化設計建模方式

三維結構的幾何自由度高，給波前調控帶來了很大的便利。但設計所調控的參數多，給仿真設計過程帶來了很大的壓力。需結合幾何光學與波動光學方法進行計算探索，構建新型建模方式。而數據驅動和物理驅動的機器學習方法，在三維微型光學結構的設計和表征過程，也能發揮重要的作用。

4 開發結構表征新方法

微型三維光學結構，尺度介于宏觀與微觀之間，結構小，曲率大，常規測量方法，如白光干涉、電子顯微、原子力顯微等，難以進行有效的測量，亟需新型的表征手段。基于多象限的電子顯微三維重構，有望實現微型自由曲面形貌的精確測量。而X射線顯微斷層掃描，也是一種有潛力的表征方法。

總結

雙光子光刻技術能夠精確制備三維結構，并將其精準集成在光電芯片上，能夠在光纖-芯片以及芯片-芯片之間，構建大帶寬、低損耗的光信號鏈路，實現光信號的高效互連，降低封裝過程的對準精度，給光學芯片的封裝過程帶來了全新的機遇。隨著技術的迭代演進和行業的進一步發展，我們預期基于雙光子光刻的光電芯片封裝架構，將會得到大規模應用，解決光電芯片的封裝難題。

論文信息

Shaoliang Yu, Qingyang Du, Cleber Renato Mendonca, Luigi Ranno, Tian Gu, Juejun Hu. Two-photon lithography for integrated photonic packaging[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 32(2023). doi: 10.37188/lam.2023.032

https://doi.org/10.37188/lam.2023.032

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