综述：面向三维集成光子封装的波导间耦合器研究进展

《Light-Science & Applications》：Advances in waveguide to waveguide couplers for 3D integrated photonic packaging

本综述系统梳理了用于三维光子集成封装（3D Photonic Packaging）的波导间耦合器（Waveguide-to-Waveguide Coupler）关键技术，重点对比了边缘耦合器（Edge Coupler）、光栅耦合器（Grating Coupler）、自由形式耦合器（Free Form Coupler）、倏逝耦合器（Evanescent Coupler）、悬臂耦合器（Cantilever Coupler）和光学引线键合（Optical Wirebond）等六类器件的性能指标（如插入损耗<1 dB、对准容差>±1 μm）。文章深入探讨了通过硅（Si）、玻璃（Glass）和有机材料（Organic）等衬底实现高效光传输的光子通孔（Photonic Via）技术，并展望了其在共封装光学（Co-packaged Optics, CPO）交换机、可替换生化传感器、光互连存储器、光计算、集成量子光子学和激光雷达（LiDAR）等前沿应用中的潜力，为降低光子集成回路（PIC）封装成本（占总成本70-80%）、提升能效与性能提供了重要技术路径。

　　

引言

光子集成回路（PIC）在过去四十年间取得了显著进展，尤其在数据中心互连、生化传感器、激光雷达（LiDAR）、光子交换和光计算等领域展现出巨大潜力。然而，与电子集成电路（IC）相比，PIC的封装、组装和测试成本占据了总制造成本的70-80%，成为制约其大规模应用的主要瓶颈。其中，单模光纤（SMF）阵列与PIC之间的有源对准和键合过程尤为昂贵且耗时。因此，开发高性能、低成本的波导间耦合技术，实现三维（3D）光子封装，已成为当前研究的热点。

波导间耦合器的类型与性能

本文综述的波导间耦合器可分为六大类，每类各有其独特的工作原理、性能特点和适用场景。

边缘耦合器通过将两个芯片的耦合元件沿光传播方向对准，实现光耦合。其优势在于插入损耗低（可<0.5 dB）、偏振相关损耗（PDL）小且带宽宽。然而，这类耦合器通常需要位于芯片边缘，并需要高质量的端面，这限制了其输入/输出（I/O）密度，且纵向尺寸较大。逆锥形（Inverse Taper）和多模干涉仪（MMI）是其中常见的设计。

光栅耦合器利用周期性刻蚀结构改变光的传播方向，接近90°。其最大优点是与Foundry工艺兼容，支持晶圆级测试，且允许较大的芯片间垂直间隙，便于与电互连（如Cu微凸点）集成。然而，传统光栅耦合器通常存在较高的插入损耗（>3 dB）和显著的波长敏感性（1-dB带宽通常<±40 nm）。通过采用L形结构、底部反射镜或切趾等技术可以改善其性能。

自由形式耦合器利用微透镜和反射镜将光从输入波导反射出平面，然后聚焦到另一个芯片的输出波导中。这类耦合器通常具有极宽的带宽（>±200 nm）、低偏振敏感性和较大的对准容差（垂直方向可达>35 μm）。其挑战在于制造过程多为串行工艺，如双光子聚合（TPP）和灰度光刻（GSL），吞吐量较低。未来通过纳米压印（NIL）等并行化技术有望解决此问题。

倏逝耦合器通过将两个波导紧密靠近，利用其倏逝场尾部的重叠来实现功率转移。这类耦合器可以实现超低的耦合损耗（<0.5 dB）和超过100 nm的带宽。通过采用分段锥形（Segmented Taper）或角度锥形（Angled Taper）等设计，可以显著提高对准容差（>±1.5 μm），从而支持使用自动化取放（Pick-and-Place）工具进行被动组装。其缺点是对包层折射率变化较为敏感，且通常具有偏振依赖性。

悬臂耦合器通过在有源或无源波导结构中引入拉伸应力，使其释放后发生弯曲，形成离面S形弯曲，从而实现芯片间的光连接。这类耦合器可以实现紧凑的尺寸（<5 μm长）和较大的垂直间隙。热诱导应变、离子注入和金属层诱导应变是形成悬臂的常用方法。其挑战在于横向对准容差较窄，且某些设计可能需要后端制程（BEOL）承受高温。

光学引线键合是光学版的引线键合技术，具有极高的设计灵活性。主要包括光子引线键合（PWB，基于TPP）、直接光学引线键合（DOW，基于聚合物 dispensing）、SmartPrint技术（基于紫外直写光刻）和超快激光直写（ULI）波导等。这些技术非常适用于原型制作和小批量生产，能够克服芯片间的错位问题。然而，其串行制造特性导致每个连接的制作时间较长，限制了在高连接数（>10³）场景下的应用。

光子通孔

光子通孔用于连接同一芯片正面和背面的波导，或通过中间衬底连接不同芯片的波导。可分为导模通孔（Guided Mode Via）和自由形式通孔（Free Form Via）。

导模通孔通过刻蚀并填充通孔形成垂直波导来引导光。例如，在硅衬底中制作通过硅光子通孔（TSPV），与电Through-Silicon-Via（TSV）工艺兼容。另一种设计是在SiO₂包层中制作非晶硅（a-Si）波导，并通过45° TIR反射镜进行耦合。

自由形式通孔则利用反射镜和透镜来引导光通过衬底，而无需在通孔内形成波导。这类设计在玻璃、硅和有机衬底中均有应用，特别适用于芯片到板级（Chip-to-Board）的光学连接，能够克服较大的垂直距离（>>100 μm）和折射率差异。

应用前景

这些先进的耦合器和通孔技术在多个前沿领域展现出巨大的应用潜力。

数据中心共封装光学：在共封装光学（CPO）架构中，将光收发器与专用集成电路（ASIC）集成在同一封装衬底上，可以显著缩短铜互连长度，降低功耗。利用芯片间耦合器实现光学扇出（Optical Fan-out），将光纤接口移至衬底边缘，可以突破单模光纤阵列的密度限制（目前最高约8根/mm），将光学I/O密度提升一个数量级（>100根/mm），为太比特（Tbps）乃至拍比特（Pbps）级带宽的交换机铺平道路。

生化传感：在PIC生化传感器中，将光源、探测器和传感元件分离到不同的芯片上，并通过可插拔的光学接口连接，可以实现传感芯片的低成本更换和回收利用，特别适用于需要频繁更换或升级的功能化表面传感场景。

光计算与光互连存储器：在光子神经形态计算中，高密度、低损耗的光学互连对于实现大规模广播权重（Broadcast-and-Weight）计算架构至关重要。同样，在三维堆叠存储器（如DRAM）中，利用光子通孔进行层间光互连，可以替代部分电TSV，降低延迟和能耗，提高带宽密度。

集成量子光子学：量子光子系统通常需要集成多种材料平台（如GaAs量子点光源、LiNbO₃调制器、Si₃N₄无源电路和NbN超导纳米线单光子探测器SNSPD）并在低温下工作。芯片间耦合器为这种异质集成提供了灵活且高效的解决方案。

激光雷达系统：在激光雷达（LiDAR）系统中，通过芯片间耦合器和光子通孔技术，可以实现光源（如III-V族SOA）、调制器（如SiPh或聚合物相移器）和光学相控阵（OPA）发射器的高效异构集成，并支持三维封装，从而减小系统体积、重量和功耗（C-SWaP）。

结论与展望

波导间耦合器和光子通孔技术是推动三维光子封装发展的关键使能技术。它们通过取代传统的光纤-芯片接口，实现了光学I/O密度的数量级提升和封装成本的显著降低。展望未来，倏逝耦合器与混合键合（Hybrid Bonding）结合，有望在芯片级和中介层（Interposer）级互连中实现最高的连接密度；自由形式耦合器则因其宽带、大容差特性，将在衬底到板级互连中发挥重要作用；而光学引线键合技术则继续在定制化、小批量应用中展现其独特价值。同时，光子通孔技术的研究仍处于早期阶段，其在芯片内、封装内乃至板级实现全光互连的潜力巨大，可能最终实现器件级别的阿焦耳（attojoule）级光互连。总体而言，这些光学“凸点”和“通孔”技术，有望在光子封装领域复制电气封装中焊料凸点和通孔技术所带来的革命性影响。