飞秒激光微结构加工与3D纳米打印技术推动VCSEL集成在共封装光学架构中的应用

为解决传统光电封装技术难以满足低成本、高速率需求的问题，研究人员开展基于飞秒激光微加工(FLICE)和双光子聚合直接激光写入(2PP-DLW)的垂直腔面发射激光器(VCSEL)集成研究。通过将裸片VCSEL阵列嵌入熔融石英微孔，并结合直接在VCSEL上3D打印微光学元件，实现了5 μm高斯光斑的高效单模光纤耦合。该方案为共封装光学(CPO)架构提供了紧凑、高密度的玻璃中介层解决方案。

　　

在数据中心流量爆发式增长的时代，人工智能、高性能计算等应用对光互连带宽提出了更高要求。传统可插拔光模块逐渐被共封装光学(Co-Packaged Optics, CPO)架构取代，而垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其成本效益和功率效率成为CPO的理想光源。然而，传统倒装焊和引线键合技术存在发射区不可触及、热管理困难等瓶颈，制约着VCSEL在CPO中的应用突破。

针对这一挑战，研究人员创新性地将飞秒激光微加工(FLICE)与双光子聚合直接激光写入(2PP-DLW)技术相结合，开发出全新的VCSEL集成方案。通过FLICE在熔融石英上精确加工微米级凹槽作为VCSEL的"巢穴"，采用面朝上装配方式保留发射区可操作性，并利用2PP-DLW直接在VCSEL上3D打印微光学元件。这种技术路线既保留了倒装焊的高密度优势，又突破了传统封装的光学耦合限制。

关键技术方法包括：FLICE优化微孔加工参数（300 fs脉冲、500 kHz重复频率、50 mW平均功率）；聚酰亚胺(PI)钝化层制备与铜互连光刻；基于迭代傅里叶变换算法(IFTA)设计八阶衍射微透镜；采用63×/1.4 NA物镜进行双光子聚合纳米打印；通过白光干涉仪(WLI)和光束分析仪表征光学性能。

2.1 表面微孔优化
通过轮廓刻蚀策略将激光曝光时间缩短至35分钟/孔，KOH蚀刻后实现1 μm精度的立方体微孔。侧壁采用30 μm圆弧过渡设计，有效避免了玻璃开裂问题。

2.2 VCSEL集成
环氧树脂粘接使芯片最大突出高度控制在2.4±1.1 μm，倾斜度<0.4°。5.5 μm厚PI钝化层经350°C固化后，通过ps激光钻孔（40 μm孔径）实现铜互连光刻。

2.2.3 光学表征
集成后VCSEL在0.6-1.0 mA驱动电流下保持单模运转（λ≈846 nm），光束腰径2.8 μm，X线偏振，功率波动系数<1%，与厂商参数高度一致。

3.1 衍射微透镜设计
采用IFTA算法设计的八阶衍射透镜（100 μm直径）在230 μm工作距离下实现5.2 μm光斑，模场重叠积分(OI)达97%。

3.2 折射微透镜优化
非球面设计（R_c=-45 μm，k=-0.925）将聚焦光斑缩小至4.9 μm，OI提升至99.6%。

4.1 平面基底制备优化
在IP-Dip2光刻胶中，40 mm/s扫描速度配合62%激光功率实现最佳曝光剂量，避免微气泡产生。

4.3 光束整形与耦合
实测折射/衍射透镜分别实现5.0 μm和5.1 μm聚焦光斑，对应单模光纤耦合效率达0.99±0.007和0.83±0.011。

该研究开创性地将FLICE与2PP-DLW技术融合，解决了VCSEL在CPO架构中的集成难题。通过玻璃中介层上的精确微孔定位和原位3D打印光学元件，实现了媲美传统封装的电学性能和更优的光学耦合效率。特别是非球面折射透镜展现的近完美高斯光束质量（99.3% OI），为高速光互连提供了新范式。尽管衍射元件存在约16%的额外损耗，但其设计灵活性为未来多光束操纵留下了优化空间。

这项工作的重要意义在于：技术上，建立了飞秒激光加工-精密贴装-纳米光刻的完整工艺链；应用上，为CPO架构提供了可扩展的玻璃集成方案；理论上，证实了PI钝化层高温工艺对VCSEL性能无显著影响。未来研究可延伸至多通道集成、高速调制特性评估等方向，推动VCSEL在数据中心光互连中的实际应用。论文发表在《Optics》期刊，为光电子封装领域提供了重要的技术参考。