采用分步激光烧蚀技术制备的双45°微镜层间波导耦合器

《Optics & Laser Technology》：Interlayer waveguide coupler with dual 45° micro-mirrors fabricated by stepped laser ablation

　　方张|邓传路|黄毅|董艳华|张琪|张晓贝|王婷云中国上海200444，上海大学特种光纤与光接入网络重点实验室、特种光纤与先进通信国际联合研究实验室摘要我们提出了一种基于双层聚合物波导中双45°微镜的层间波导耦合器，用于高密度多层光互连。光线追踪模拟表明，对于横向芯部错位，0.5分贝的损耗容忍度为±5微米；对于微镜错位，为±6微米；而对于微镜倾斜，则为±2°。我们还建立了由微镜表面粗糙度引起的层间耦合损耗的光线追踪模型，结果显示将表面粗糙度控制在80纳米以下可将层间耦合损耗保持在1分贝以内。进一步考虑金涂层引起的偏振依赖性反射后，850纳米处的模拟损耗增加约0.30分贝，1300纳米处则增加约0.28分贝。这些耦合器是通过紫外光刻结合阶梯式激光烧蚀工艺制备的。在850纳米附近以及1260–1360纳米范围内，层间耦合损耗的波长依赖性较弱。实测结果显示，850纳米时的层间耦合损耗为4.42分贝，1300纳米时为4.16分贝。在850纳米和1300纳米条件下，层间串扰和通道间串扰分别优于-32分贝和-34分贝。这些结果为双层聚合物波导中的45°微镜层间耦合器提供了可行的实现方案，并展现了其在高密度板级光互连中的应用潜力。引言随着人工智能技术的快速发展，大规模数据中心和高性能计算系统对计算能力以及高带宽、低延迟光互连的需求急剧上升[1]、[2]。光互连具有高带宽和互连密度、低功耗以及抗电磁干扰的优点[3]、[4]、[5]。短距离光互连通常在芯片和电路板层面实现，每种实现方式都有其独特的设计和制造要求。对于高密度光互连而言，能够在堆叠的波导层之间传输光信号的三维层间耦合器至关重要，它有助于在复杂的互连结构中实现无交叉路由。在芯片层面，常见的耦合器类型包括衰减波耦合器[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、三维波导耦合器[11]、[12]、[13]、光栅耦合器[14]、[15]、[16]、垂直多模干涉仪耦合器[17]以及反射型微镜[18]、[19]、[20]、[21]。基于衰减波耦合的抛物面反向渐变结构在950纳米的层间距离下，1260–1340纳米范围内的层间耦合损耗仅为0.11分贝[9]。在聚合物平台上，一种热光定向耦合器在1550纳米波长下，具有2微米的层间距离和2950微米的耦合长度，其插入损耗约为5.2分贝，该耦合器采用了低损耗的含氟聚碳酸酯核心材料以及聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯复合包层材料（折射率分别为1.5316和1.4731），且1550纳米波长下的波导传播损耗为0.85分贝/厘米[8]。总体而言，衰减波耦合器在层间距离较小时效率较高，但通常需要较长的相互作用长度，同时对薄膜厚度和垂直间隙的控制要求极为严格。作为三维波导耦合器，多层硅平台上的层间斜坡波导在每1.5微米的高斜率下可实现0.17分贝的损耗[12]，不过这类斜坡耦合器对侧壁粗糙度较为敏感。SiNx-Si超材料光栅耦合器在720纳米的层间距离下表现出约0.6分贝的过渡损耗[15]，但其对波长和偏振的依赖性仍然明显。垂直多模干涉仪层间耦合器已在多层聚合物平台上得到实现，它们利用自成像技术实现了紧凑且无交叉的路由结构[17]，但这些耦合器也对波长、偏振以及尺寸公差较为敏感。相比之下，反射型微镜无需严格的相位匹配，能够实现宽频段的、几乎不受偏振影响的垂直耦合。例如，通过各向异性KOH蚀刻技术制成的54.7°硅镜已成功实现芯片间的近距离连接，其耦合损耗低于2.5分贝[18]。基于微镜的光学重分配技术也在封装基板上得到了验证[20]、[21]，这进一步证明了它们在聚合物波导平台上的适用性。在电路板层面，对于芯径为几微米的单模波导来说，衰减波耦合器具有较高的应用价值。有一种采用“蚊式”方法制造的单模三维聚合物定向耦合器，在C波段的13微米层间距离下，其额外损耗约为3.2分贝[22]。而对于多模波导，减小层间距离会增加模式重叠，从而提升层间串扰，因此通常采用基于微镜的耦合方式。在约100微米的层间距离下，通过带有集成微镜的母版，利用紫外光刻技术已经成功复制出嵌入微镜的聚合物波导，其层间耦合损耗不超过7分贝（包括两个微镜）[23]。尽管其损耗高于单模衰减波耦合器，但由于电路板级多模光链路对对齐公差的容忍度较高且芯径较大，基于微镜的耦合方式仍然非常适用。预计通过不断改进制造工艺或引入凹面微镜设计，将进一步降低层间耦合损耗。微镜已通过飞秒激光在玻璃中制备[24]、[25]，通过CO2激光在玻璃和光纤系统中制备[26]、[27]，还可通过准分子激光在聚合物波导中制备[28]、[29]。快速旋转的倾斜切割刀片也可用于在聚合物平台上制作45°棱面，因其简单易行且具备良好的可扩展性而受到青睐[30]。然而，在多层波导堆叠结构中，要在切割过程中将各个层面精确对齐，以便在指定位置设置棱面，是一项颇具挑战性的任务。在这种情况下，准分子激光烧蚀技术对于多层聚合物波导而言仍具优势，因为它能将热影响区域降至最低，可在埋藏式堆叠结构中实现选择性深度去除，同时还能精确控制棱面的角度和曲率。基于这些优势，我们已经成功在单层聚合物波导中利用凹面微镜实现了垂直耦合（在850纳米波长下，与62.5微米芯径的多模光纤的耦合损耗为1.83分贝[29]），并在双层聚合物波导中利用45°微镜实现了垂直耦合（在850纳米波长下与50微米芯径的多模光纤的耦合损耗为2.89分贝，在1310纳米波长下为1.29分贝[31]）。这些结果表明，通过准分子激光烧蚀技术制备的反射型微镜能够在聚合物波导中实现垂直耦合，从而为多层板级互连中的层间耦合器设计奠定了坚实基础。从上述研究报告中可以看出，聚合物波导被广泛用于电路板层面的互连。常见的聚合物材料包括硅氧烷基聚合物（LightLink?）[32]、无机-有机混合聚合物（OrmoCore/OrmoClad或OrmoClear系列）[33]、[34]、含氟聚合物（ZPU 12-RI）[35]，以及可光刻的环氧树脂体系（EpoCore/EpoClad）[36]、[37]、[38]、[39]。EpoCore/EpoClad因其能在各种基底上形成良好粘附力、具备较高的抗应力与应变能力，以及长达数月的传输稳定性，而被广泛研究使用[36]、[37]。在本研究中，我们设计并制造了一种基于双层聚合物波导及双45°微镜的层间波导耦合器，旨在实现实用且可大规模应用的板级层间连接。我们通过光线追踪模拟研究了几何参数、对齐公差、微镜表面粗糙度以及金涂层引起的偏振依赖性反射等因素对层间耦合损耗的影响。随后，我们确立了采用紫外光刻和阶梯式激光烧蚀相结合的制造流程。最后，我们对这种耦合器的性能进行了评估，包括总链路损耗、层间耦合损耗以及串扰情况。这些结果证明了在双层波导中使用45°微镜来实现高性能多层光互连的可行性。章节节选层间波导耦合器设计图1(a)展示了一种层间波导耦合器的示意图，该耦合器通过双微镜反射实现堆叠波导层之间的光学互连。上层和下层的波导芯沿z轴共中心，微镜的棱面与共同的光轴重合。根据供应商的技术数据表（Micro Resist Technology）[40]，在850纳米波长下，波导芯/包层的折射率分别为1.5834/1.5708，而在1310纳米波长下则为1.5767/1.5645。双层波导中45°微镜的制造层间波导耦合器的制造是通过结合紫外光刻和阶梯式准分子激光烧蚀技术来实现的，如图8所示。负性光阻材料EpoClad和EpoCore分别被用来构建双层波导的包层和芯层。具体的制造步骤如下：(a)在FR4基板上旋涂下层包层材料；(b)利用紫外光刻技术在基板上绘制出间距为250微米的12个下层波导芯结构，并标注对齐标记。结论在这项工作中，我们成功设计出一种基于双层聚合物波导及双45°微镜的层间波导耦合器，可用于实现层与层之间的光信号传输。模拟结果表明，0.5分贝的损耗容忍度意味着芯部的横向错位范围可达±5微米，微镜的横向错位范围为±6微米，而微镜的倾斜容忍度则为±2°。我们还建立了由微镜表面粗糙度引起的层间耦合损耗的光线追踪模型，研究表明将表面粗糙度控制在80纳米以下即可将层间耦合损耗控制在1分贝以内。关于 manuscript 准备过程中生成式AI及AI辅助技术的声明在撰写本文档的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来提升语言表达的流畅性和可读性。在使用该工具/服务之后，作者对内容进行了必要的审阅和修改，并对最终发表文章的内容承担全部责任。CRediT作者贡献说明方张：论文撰写——初稿撰写、软件应用、实验研究、正式分析；邓传路：论文撰写——审阅与编辑；黄毅：方法论研究、资金获取；董艳华：资源协调、资金获取；张琪：软件应用；张晓贝：实验研究；王婷云：论文撰写——审阅与编辑、资金获取。资助本项目得到了中国国家自然科学基金（62575168、62475144、U25A20509）以及上海市科学技术委员会项目资助（24142201600、25DZ2201300）的支持。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。