矽光耦合封裝新方案:熔接光纖與矽光晶片

2020-12-05 訊石光通訊網

  矽光耦合封裝新方案：熔接光纖與矽光晶片

  這篇筆記介紹一篇最近的矽光封裝進展。美國羅切斯特大學研究小組最近報導了一種新型的矽光晶片耦合封裝方案 Optica 6, 549(2019)，即使用熔接的方法將光纖與端面耦合器連接，耦合損耗為1dB。文章的連結為https://www.osapublishing.org/optica/abstract.cfm?uri=optica-6-5-549 。

  耦合封裝是矽光產品大批量生產中的重要環節之一。能否實現快速、低成本、高耦合效率的矽光晶片封裝，直接決定了產品的競爭力。Rochester大學的新方案，其結構示意圖如下，

(圖片來自文獻1)

  耦合器為懸臂梁型端面耦合器，懸臂在晶片外凸出一部分，用於和光纖連接。通過CO2雷射器的照射，SiO2懸臂和裸纖熔接在一起，SiO2懸臂與光纖之間形成穩定的化學鍵。SiO2強烈吸收10.6um波長的光。實驗中CO2雷射器的功率為9W, 照射時間為0.5s。

  實驗中他們採用的SiN taper作為耦合器，光場從SiN波導中轉換成SiO2懸臂的波導模式，進而再耦合到單模光纖中，其結構示意圖如下圖所示。懸臂凸出部分的長度為10um，寬度從12um變為14um。

(圖片來自文獻2)

  SiN taper尖端的寬度為180nm， taper長度為100um。研究人員計算了該方案的容差，1dB的容差約為+/- 2.4um，如下圖所示，

(圖片來自文獻1)

  實驗中，他們測得熔接完之後，耦合損耗約為1.3dB, 此時再採用折射率為1.3825的膠水，耦合損耗可降低至1dB，如下圖所示，

(圖片來自文獻1)

  相比於現有的耦合封裝方案(可參看矽光晶片的耦合封裝)，光纖熔接的方法顯得特別簡單，既不需要額外的結構設計(V-groove, 聚合物，interposer等)，也不需要特殊的光纖(斜切光纖，二維光纖陣列等)。唯一需要的是一個高功率的CO2雷射器。該方案成本低，不需要複雜的工藝流程，有望實現大批量生產。目前實驗中仍然需要一個可見光雷射器，用於光纖和懸臂間的對準。如果能做到passive alignment, 將會是更大的進步。另外一點，如果是光纖陣列的耦合，工藝該如何改進?目前CO2出射的雷射是通過透鏡聚焦到SiO2和光纖的界面上，這可能是實驗的一個難點。

  參考文獻：

  1. J. Nauriyal, et. al, "Fiber-to-chip fusion splicing for low-loss photonic packaging", Optica 6, 549(2019)

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