imec 300mm硅光平台基于微透镜/聚合物的大容差扩束垂直耦合技术

一、芯片级直接集成：76μm大模场实现±12μm对准容差

imec团队在其300mm iSIPP300硅光子平台上，首次完整演示了基于熔融石英微透镜阵列的扩展光束光纤阵列耦合系统。该方案直接在PIC表面集成微光学元件，通过精确的光束扩展技术，实现了远大于传统光栅耦合器的对准容差。

◆ 设计架构与工艺实现

研究人员在硅光子芯片上集成了12对O波段光纤光栅耦合器，采用265μm标准间距设计，与主流光纤阵列规格完全兼容。耦合系统的核心是一片熔融石英微透镜阵列，其衬底厚度为600μm，单个透镜的通光孔径为160μm，曲率半径优化为185μm。通过Synopsys Code V光束合成传播模型的精确仿真，该设计能够将光栅耦合器输出的小模场光束扩展至约76μm的模场直径（MFD），为大幅提升对准容差奠定了基础。

为实现微透镜阵列与PIC之间的高精度集成，研究团队采用了ASMPT AMICRA NANO平台的光学键合die-to-wafer工艺。测试结果显示，在75个键合的微透镜阵列中，键合位移的3σ偏差仅为0.3μm，这一超高精度确保了扩展光束耦合的稳定性与一致性。键合完成后，整个晶圆还经过了260℃的回流测试，验证了其与后续标准封装工艺的兼容性。

◆ 全面性能测试验证

研究人员搭建了六轴主动对准测试系统，对耦合性能进行了全面表征。测试采用3M公司的12通道扩展光束光学（EBO）插芯，工作距离设定为1mm，与实际应用场景保持一致。

光谱测试结果显示，单个样品在中心波长1320nm处的最小插入损耗约为2.5dB，1dB光谱带宽达到30nm。对四个不同测试样品的统计分析表明，在1320nm波长下，平均插入损耗为3dB，标准偏差仅为0.4dB，展现出优异的工艺稳定性与可重复性。研究人员指出，插入损耗的主要贡献来自于光纤光栅耦合器本身，而观测到的光谱波动主要源于光纤尾纤界面的引入的干扰。

最引人注目的是对准容差测试结果。实验数据与仿真结果高度吻合，在0.5dB耦合损耗窗口内，该系统实现了±12μm的横向对准容差。与无光束扩展的传统方案相比，对准容差提升了一个数量级以上。实验中观察到的x轴与y轴容差的微小差异，源于光束相对于坐标系的非对称传播角度，这一现象也得到了仿真的准确预测。

二、封装基板级耦合：聚合物波导+微镜实现灵活面外互连

在芯片级直接耦合之外，imec团队还与根特大学合作，开发了基于聚合物波导光学重分布层（ORDL）的面外扩展光束耦合方案。该技术将耦合接口从芯片表面转移到封装基板上，为CPO系统提供了更大的设计灵活性与I/O扇出能力。

◆ ORDL架构与核心器件制备

在CPO系统中，单模聚合物波导作为光学重分布层，能够在封装基板上实现光信号的灵活路由，连接光纤阵列与多个光学引擎。研究团队提出的方案采用45°微镜将聚合物波导中的水平传输光束垂直转向，随后通过上方的微透镜进行准直与光束扩展，最终与EBO连接器耦合。这种架构不仅能够实现大的对准容差，还对40-70μm范围内的颗粒污染不敏感，显著提升了系统的可靠性。

核心器件的制备采用了成熟的微纳加工工艺。聚合物波导使用EpoCore和EpoClad材料，在1310nm波长下的折射率分别为1.579和1.572。45°微镜通过KrF准分子激光烧蚀工艺制备，通过精确控制激光束的倾斜角度、脉冲能量、重复频率和烧蚀速度，最终获得了平均角度为46.9°±1.5°的高质量微镜，能够在聚合物/空气界面实现全内反射。

微透镜则采用热回流工艺在硼硅酸盐玻璃晶圆上制备，使用正性光刻胶AZ 4562作为透镜材料。Wyko光学轮廓仪的测量结果显示，微透镜的曲率半径为130μm±5μm，与Zemax仿真的光束准直要求完全匹配。

◆ 光束特性与耦合效率

研究人员使用Xenics Xeva红外相机对光束轮廓进行了详细表征。在经过45°微镜偏转后，由于镜面角度偏差和粗糙度的影响，远场光斑呈现椭圆形。而在经过微透镜准直后，光斑恢复为准圆形高斯分布，模场直径约为30μm。

通过在不同传播距离处测量模场直径，研究团队获得了完整的高斯光束特性。实验结果表明，该系统实现了16μm的光束腰斑和1.3°的发散角，对应的瑞利范围约为0.8mm，与理论预测的1.5°发散角高度一致。这一瑞利范围与芯片和光纤之间典型的1-2mm工作距离非常匹配，为实际应用提供了充足的余量。

耦合效率测试显示，该系统在整个O波段的总插入损耗约为4dB。损耗分解分析表明，微镜和微透镜各自贡献了约1.5dB的损耗，其余损耗来自于聚合物波导的传输损耗以及光纤与波导的对接损耗。研究人员指出，通过在聚合物/空气和聚合物/玻璃界面添加抗反射（AR）涂层，可以进一步显著降低插入损耗。

◆ 技术意义与未来展望

imec发布的这两项扩展光束耦合技术，分别针对芯片级和封装基板级应用场景，形成了互补的技术解决方案。芯片级直接集成方案具有最高的集成密度，适合高密度光学引擎与光纤阵列的直接耦合；而基于聚合物ORDL的方案则提供了更大的设计灵活性，适合多芯片模块中的光信号扇出与互连。

两项技术的共同核心优势在于大幅提升了对准容差，将传统硅光子封装所需的亚微米级对准精度要求降低至十几微米级别。目前，imec团队正在进一步优化这两项技术。对于芯片级直接耦合方案，研究人员计划将EBO连接器插座主动装配到PIC顶部，实现更紧凑的系统集成；对于聚合物ORDL方案，则将通过引入抗反射涂层和优化微镜制备工艺，进一步降低插入损耗。这些进展将有力推动共封装光学技术从实验室走向大规模商用，为下一代数据中心和高性能计算系统提供强大的光互连支撑。