基于雙光子聚合的片上光學互連（特邀）

趙曜，林琳涵，孫洪波

（清華大學精密儀器系，精密測試技術及儀器國家重點實驗室，北京100084）

0 引言

集成光子芯片具有低功耗、低延遲、小體積、大帶寬等優勢，是下一代通訊系統和數據互聯的關鍵技術［1-3］。同時集成光學在光學傳感［4］、量子信息處理［5-6］、光學操縱［7］等領域有迫切的應用需求。一個完整的光子芯片由光源、低損耗波導、調制器、探測器等部件組成［8-10］。目前，單一光學元件可以做到很高的性能，但是如何將這些光學元件可靠地集成在一起，是非常重要的挑戰。例如，硅基光子集成與微電子產業中成熟的互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝兼容，且硅具有高折射率，極大的降低了光斑尺寸，可以使光路緊湊，是集成低損耗波導的良好材料。但由于硅是間接帶隙半導體，發光效率非常低，硅基光源的集成是極其困難的。Ⅲ/Ⅴ族半導體，如InP（磷化銦）、GaAs（砷化鎵）具有直接帶隙的能帶結構，是片上集成光源的最優解［11-12］。又如LiNbO3（鈮酸鋰）調制器［13］、Ge（鍺）探測器［14］、YIG（釔鐵石榴石）光隔離器［15］等器件，相比于硅基器件來說都有獨特的優勢。

為了實現這些性能優越的光電器件的有機集成，目前主要有有兩種解決方案。第一種方案是混合集成［16-19］，在各自最優材料體系內加工不同的光電器件，后通過透鏡耦合、光柵耦合或倒裝焊等方法集成到一起，這需要極高精度的主動對準技術，離散的組裝失去了緊密集成的意義，也很難進行具有高重復性的大規模光子集成。第二種方案是單片集成［20-22］，即在單一基底上鍵合或直接外延生長異質材料，再制備所需的功能芯片，但是工藝難度非常大，良品率不高，且技術很難移植。一種具有定位精度寬松、通用性強、損耗低、帶寬大的光子集成技術顯得尤為重要。

受三維電沉積的金屬［23］和導電聚合物引線鍵合［24］所啟發，近來出現了一種直接光引線鍵合（Direct Optical Wire，DOW）技術［25］。該技術利用擠出聚合物液體中溶劑的快速揮發以創建拱形聚合物通路。微型移液槍內裝有含聚苯乙烯的二甲苯溶液，當微移液器擠出聚合物溶液時，二甲苯迅速揮發，留下聚苯乙烯固體聚集體，產生連接兩端的聚合物光學橋接。通過控制微型移液槍的拉速度，引線的局部尺寸受控變化。該技術可以實現光柵耦合器之間、光柵耦合器和光纖間的光學互聯，損耗分別在6 dB 和10 dB。該技術有兩個局限：一是截面形狀和路徑不完全可控，精度低，且路徑自由度小，不利于實現較小的對接和傳輸損耗。二是采用物理接觸方式，很難做到重復和深入式加工。

飛秒激光作為微納加工的重要工具，更適合于片上光學元件的制造和集成［26-28］。飛秒激光具有高峰值功率，在焦點處會引發雙光子吸收這一三階非線性效應，引發光刻膠材料體系的交聯。雙光子吸收和光強的平方成正比，其吸收光強度會隨著距離焦點的距離迅速衰減，所以雙光子聚合（Two-Photon Polymerization，TPP）的加工體素遠小于衍射極限，橫向可達100 nm 的精度。此外，雙光子聚合可以實現真三維、無掩模和定制化加工，具有非常高的自由度。飛秒激光已經成為微納增材制造領域不可缺少的工具，在功能材料納米3D 打?。?9-30］、微光學元件［31-32］、光學操控［7］、微流控［33］、生物醫學［34］等領域有廣泛應用。本文針對光子芯片集成，對片上光學元件的激光增材制造這一領域進行綜述，探討了光子引線鍵合和微空間光路元件兩種技術路徑，總結了現有技術的發展現狀，并對未來的發展前景進行了展望。

1 光子引線鍵合

1.1 無源材料體系的光子引線鍵合

飛秒激光直寫光刻膠，利用雙光子聚合制造聚合物波導，實現不同光學接口間的光學直接互連，被稱作光子引線鍵合（Photonic Wire Bonding，PWB）。這種技術類似光纖頭中間接了根光纖跳線，所以又被稱為光子跳線。在實際的片上互連中，器件接口的狀態會有所差異，如接口的折射率分布、空間位置、尺寸、方向等。光子引線鍵合技術就是為解決多材料光電器件在尺寸、模場和空間布局的不匹配性應運而生的。利用該技術可以將器件的初始對準精度放寬至10 μm 量級，極大地降低了主動對準的要求。

2012年，德國研究者利用飛秒激光在SU8 光刻膠內部直寫波導，實現了兩個SOI 波導的片間光學互連［35］，見圖1（a）。在1 550 nm，Si 和SU8 折射率分別為3.48 和1.57，兩者折射率的巨大差值引起模場的巨大差異。為實現接口處的高效耦合，他們設計了絕熱耦合結構，見圖1（b），SOI 波導和聚合物波導都被設計成倒錐形結構，且在較長的一段過渡區域內利用聚合物包裹SOI 波導。SOI 波導寬度在32 μm 的長度上逐漸從500 nm 縮小到幾十納米的尖端寬度，相反PWB 從初始的高450 nm、寬760 nm 的尺寸，分別均勻擴大至1.6 μm 和2 μm。顯影后，結構浸泡在折射率匹配液中。實驗測得光子跳線在C 波段具有低損耗寬帶傳輸能力，平均損耗1.6 dB，見圖1（c）。他們測試了總速率為5.25 Tbit/s 的波分復用（Wavelength-Division Multiplexing WDM）數據流，每個載波都用16 進制正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）進行信號調制。為了對信號質量進行定量測量，誤差矢量幅度（Error-Vector Magnitude，EVM）被引入。EVM 表示實際測量波形與理論調制波形之間的偏差，對比SOI 參考波導的傳輸，平均EVM 僅從9.1%增加到9.5%，見圖1（d），這可以說明PWB 沒有引入明顯的信號質量下降。結果表明，光子引線鍵合技術優于光纖和光柵耦合器的的互連，并且可以與電子束光刻（Electron Beam Lithography，EBL）制備的平面耦合技術一較高下。該技術也被應用于Si3N4平臺上，將PWB 的波長拓展到了可見光［36］。

圖1 基于PWB 的SOI 波導間光學互連Fig.1 Optical interconnection between SOI waveguides based on PWB

基于飛秒激光增材制造的聚合物波導具有很好的可拓展性和熱穩定性［37］。經過選材和工藝的優化，同時結合先進的接口檢測和圖像識別技術，可以實現100 根硅波導間引線的重復性加工，平均每根引線的加工時間在30 s，見圖1（e）。經測試，研究者得到了平均0.73 dB、標準差為0.15 dB 的低損耗數據。令人鼓舞的是，樣品經過-40 °C 至85 °C 共225 輪溫度循環后，材料結構和組分完好，性能沒有下降，見圖1（g）。

該技術也被引入到了SOI 波導和多芯光纖的互連上來［38］（見圖2）。研究者對SOI 波導與光纖的互連結構進行了設計和模擬。PWB 在SOI 波導端口的耦合口設計得到了延續，被設計成方形截面的倒錐形漸變結構。為了適應光纖圓形模場，PWB 截面以絕熱方式從方形逐漸變化為圓形，并以喇叭口結構直連至光纖纖芯以適應更大的光纖模式，保證了接口處的容錯性。在寫入結構時，為了避免逐層掃描引起的邊緣分層問題，他們先在結構內部進行螺旋式加工使結構內部交聯，然后寫入外殼使結構更加平滑以減小損耗。實驗測得多核光纖與SOI 波導的插入損耗在1.7 dB 至6.8 dB 之間，高損耗可能是制造缺陷或軸向加工誤差導致?？梢灶A計，通過優化錐形耦合結構和制造工藝，光纖和波導間損耗會進一步降低。

圖2 SOI 波導和多核光纖的片間PWB 互連［38］Fig.2 PWB interconnection between SOI waveguides and multicore fibers［38］

1.2 有源材料體系的光子引線鍵合

Ⅲ/Ⅴ族光源與硅光波導的高效耦合是集成光學的關鍵挑戰之一。將有源材料體系和無源材料體系結合起來，是光子引線鍵合重要的技術出口。有學者演示了基于InP 的水平腔表面發射激光器（Horizontal Cavity Surface Emitting Laser，HCSEL）和硅光子平臺之間的高效耦合［39］。HCSEL 由平面內InGaAsP 分布式反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）激光腔和蝕刻的45°鏡面組成，以偏轉光線到表面出射（見圖3）。由于HCSEL 偏轉鏡傾斜角度存在誤差，所以激光出射方向和芯片表面之間不一定是嚴格垂直的。因此，PWB 結構的初始方向必須做出相應調整。同時，為了實現兩個接口之間的模場匹配，PWB 需要定制化設計耦合漸變結構，同時考慮PWB 與激光器出射端口和波導接口的耦合效率和波導彎折引起的光能泄漏，以實現HCSEL 激光的收集和偏轉，以及硅波導小模場的轉變。實驗測的耦合損耗可以降低至0.4 dB。

圖3 InP 激光器和硅芯片間的光子引線鍵合設計和測試Fig.3 PWB design and test between InP lasers and silicon chips

同時，利用PWB 技術，還可以實現InP 激光器、硅光子調制器陣列和單模光纖三個孤立器件之間的光學互連［37］。將兩片含四個HCSEL 的激光器陣列作為八路激光光源，通過第一個PWB 陣列連接到耗盡型馬赫-曾德爾調制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）陣列進行調制，又通過第二個PWB 陣列連接單模光纖陣列實現信號輸出，可以實現八通道通信功能（見圖4）。每個通道提供高達56 Gbit/s 的線路速率，從而實現448 Gbit/s 的總線速率。此外，基于PWB 互連的能夠以732.7 Gbit/s 的凈數據速率運行的四通道相干發射器也被提出?？梢?，PWB 技術可作為高速光通信的可靠技術方案。

圖4 基于PWB 的八通道通信芯片［37］Fig.4 Eight-channel transmitter communication chip based on PWB［37］

2 微空間光路元件

與光子引線鍵合技術不同，微空間光路元件的技術方案不涉及兩個端口的直接物理連接，而是通過制備微型空間光路元件，如微型反射鏡、微型耦合器、微棱鏡等，對輸入的空間光或者導波光信號進行處理后，再以空間光或導波光的形式進行輸出。微空間光路元件可以實現光學信號的自由傳導和特性變換，是集成光學的重要一環。

有研究者利用雙光子聚合，巧妙地設計并制備了即插即用的光纖-波導耦合器［40］，該結構留了一個光纖接口，任意的輸入光纖均可插入該端口，光信號經尾部的全內反射（Total Internal Reflection，TIR）結構進入硅光柵耦合器中，見圖5（a），經測試，相比于單模光纖和光柵耦合器間的損耗，聚合物耦合器只引入了0.05 dB 的額外損耗。此外，單個耦合器的制作時間僅為三分鐘，可以實現重復性的批量制造。利用飛秒激光直寫的聚合物Otto棱鏡結構，見圖5（b），可以將空間光轉換為一維光子晶體中的布洛赫表面波，耦合效率超過40%［41］。近來，有研究者利用雙光子聚合制備的三維多通道輸入、多通道輸出的分層耦合器，見圖5（c），演示了大規模、高度連接和復雜的光學互連的復雜3D 路由拓撲，為大規模集成的光子神經網絡做好鋪墊［42］。這些微空間光路元件的增材制造打破了平面光刻結構的維度限制，可以極大提升片上光學元件的集成度并拓寬其應用自由度。

圖5 基于雙光子聚合加工的具有集成度的微空間光路元件Fig.5 Micro-space optical device with an integrated degree based on two-photon polymerization

以飛秒激光直寫的聚合物結構作為基本光學元件，實現片間的自由空間互連具有重要的意義。有研究者將幾何光學的設計思路引入到集成光學［43］，他們設計了單透鏡、透鏡組、反射元件這些基本的光學元件，見圖6（a）、6（b）并對其進行組合，可以實現光束的模斑尺寸變換、傳播方向的轉換，以適應異質材料光學接口間模式失配和角度錯位等問題，在邊緣發射激光器和單模光纖之間實現了高達88%的耦合效率，并且極大的降低了對齊公差。自由形式的微空間光路元件大大簡化了光學系統組裝，有利于提升光子芯片的集成度及其對光學信號的處理能力?；赥PP 的片上偏振轉換器能夠可以對光束的偏振特性進行調控和路由［31］，能夠實現1 550 nm 處高于90%的偏振轉換效率，是自由空間互連的重要組成部分?；赥PP 的自由曲面微光學器件被應用于片上微型光鑷［7］。研究者在波導端面分別加工了聚合物反射式和折射式透鏡，在芯片兩端通光實現了對懸浮顆粒的高效捕獲。片上光鑷具有結構緊湊、高捕獲效率的優勢，而且可擴展集成，在片上傳感、粒子動力學等領域有應用前景。

圖6 自由微空間光路元件的組合，實現片上互連［43］Fig.6 Combining of free micro-space optical device to achieve on-chip interconnects［43］

3 總結與展望

光子芯片需要光源、低損耗波導、調制器、探測器等多類部件組成，然而單一材料體系實現其完整功能是極其困難的。目前，基于多材料體系的單一片上光電器件性能已經獲得較好的優化，然而其有效集成一直是限制光電芯片集成的重大問題。無論是基于透鏡耦合、倒裝焊等方法的混合集成，還是通過晶圓鍵合或外延的單片集成，都難以同時解決低定位精度、低拓展性、高損耗、低帶寬等一系列問題。此外，不同光學接口的折射率分布、空間位置、尺寸、方向的差異，進一步提升了器件互連的難度。把精度高、穿透性強的飛秒激光作為利器，在光刻膠內部直寫任意三維聚合物結構，根據芯片自身的特點設計獨特的光學元件，這是傳統的光刻技術無法企及的。飛秒激光的高度自由化加工大大簡化了傳統光學高精度對齊的裝配技術，并可以實現無掩模加工。光子跳線架起了無源有源芯片的橋梁，自由光路的微空間光路元件更拓展了空間光路的可能性。

基于雙光子聚合的片上光學元件互連還面臨一些局限。首先，多材料平臺會引入更大的的空間復雜度，可能伴隨幾百微米的縱深和方向角的互異性。高數值孔徑物鏡可以實現高精度的加工，但是其工作距離較短，實際加工中往往需要在高精度和高空間自由度之間做取舍。這提出了對光學系統設計的進一步要求。其次，材料體系的分層結構會引入成像的復雜度，會干擾不同器件的位置識別，影響加工定位的準確度。這需要借助高軸向分辨的共聚焦或差動共焦顯微成像技術，結合機器視覺以實現準確的加工定位。最后，光子集成向著高度集成化的方向發展，這對耦合器件的空間尺寸提出了要求。為了適應波導和光子引線折射率的較大差別，現有的光學接口需要幾十微米的耦合距離。超構光子學基于人工設計的亞波長微納結構，可以實現對電磁波多維度的精確調控，如超表面能夠調節光束的偏振特性并產生特定的復雜光束，超透鏡可以實現高效率、高數值孔徑的聚焦，拓撲光子晶體可以實現高緊湊的光束偏轉。雙光子聚合微納增材制造與超構光子學相結合，期待實現密集集成的多維度光學調控。

雙光子聚合技術結合多材料的優勢，可以實現更多的功能化集成。對聚合物前驅體進行預摻雜如金屬、二氧化硅納米粒子、稀土元素等［29，44，45］，可以改變加工結構的光學性質，甚至通過后去除聚合物成分的方法僅保留預摻雜成分，實現功能性微納結構的三維加工，拓展雙光子聚合在集成光學領域的可能性?？芍貥嫻鈱W或光學可擦寫在片上光學調控和信息保護方面有重要意義，雙光子聚合技術可以考慮與光學相變材料或液晶材料相結合，在外加信號的調節下，實現光學性質的動態調節。