多图一览硅光的封装耦合

硅光是现在光通信行业非常热门的话题，不管是传统大厂还是刚刚成立的创业公司，都投入了大量资源在技术研发和商业拓展上。国内的热情也不遑多让，以上海市政府将硅光技术列入市级科技攻关项目为标志，包括科研院所，光电子企业在内的硅光产业圈也逐渐成型，然而，如同其他半导体芯片一样，国内限于研究能力，工艺制程，设备水平等诸多条件的落后，在整体尤其是上游的集成芯片技术方面与国外还有较大差距。目前对于国内企业而言，最为现实的选择是封装业务，毕竟，传统上国内企业就是以封装为主要生存之道的。

但事实上，硅光芯片的封装难度是远远大于传统光器件的。对传统封装来说，主要方法就是用光纤抛光后，通过透镜与光电子芯片耦合，或者借助光纤阵列与无源器件的直接对准。但是在硅光芯片中，一个极大的问题在于硅波导的模场直径远远小于基于二氧化硅材料的光纤，仅为 0.3~0.5 微米，而单模光纤有 9 微米，因此，直接的耦合会造成严重的能量损失。另一方面，硅波导如此小的模场面积，也会导致对准容差非常小，稍有偏移，光信号就显著衰减了。

这些问题的存在对封装提出了很高的要求，本文将以图片形式介绍目前业界的一些主要解决方案，以供参考。

光源到硅波导的耦合

首先我们看从光源看起，如何将激光器发出的光导入硅波导呢？针对边发射LD和面发射VCSEL有不同的方案。

如上图所示，通过一个球透镜和三角反射镜的组合，将LD芯片发出的光会聚后反射向下，引入下面的硅波导中。

对VCSEL的耦合则采用下图所示的方法

将VCSEL芯片倒扣在波导面上，发光面直接发出的光进入波导。

然而，以上两种方法都需要一个条件，就是硅芯片上需要做光栅结构的taper区，光栅对所需光模式进行相干叠加后导入波导中，才能减少直接耦合的光损耗。

这种光栅结构需要芯片开发商在设计时就安排好，封装厂商只能根据其布局做自己的研发。

光纤到硅波导的耦合

同样利用芯片上的光栅结构，可以将光纤内的光导入波导。

将光纤或光纤阵列抛光一个斜角（以利于光栅对光线的反射相干）直接对准光栅taper，或者，采用45度角反射（实际略大于45度，同前述理由）进入taper，然后再由taper将光引入波导。

除了用taper结构外，还有一种方法是改造光纤，通过在光纤端面抛光出一个锥面透镜出来。

此外，还可以用熔融拉锥法将光纤拉制到细长的一端，将光线模场逐渐减小到与硅波导匹配。

上述改造光纤的方法除了端面的处理外，还需要在光纤上做玻璃套管或金属管密封，同时也用于固定。

还有一种方法是增加过渡波导芯片，以将普通光纤的光模场过渡到与硅波导匹配。

不过这种方法比较麻烦，还需要增加一块芯片，研发投入比较高。

光纤到接收端的耦合

传统光探测器PIN也是以III-IV族材料为衬底的，但是近年来硅基锗探测器得到了长足的发展。锗硅探测器能够直接集成在硅基的IC平台上，大大提高了光接收端的集成度。这些探测器能够高度密集地排布在芯片上，然而单模光纤的外径有 125 微米，多根光纤传输时通道间隔至少在127微米以上，无法跟探测芯片的密度相比。为了提高传输通道密度，人们使用了多芯光纤。

上面图所示是一种使用锥形多芯光纤波导（MFD），对准硅基芯片表面的探测器光敏面输出光的方法。

由于多芯光纤的密集多通道优点，这种方法能够用一根细波导传输多达 60 个光学通道，远高于光纤阵列通道密度。

当然，代价是多芯光纤的成本和耦合复杂性。目前来讲，还难以商用。

总结

检视以上各种耦合封装方法，很明显最简单同时也是最可靠的方法是在硅光芯片上做光栅taper，就可以直接用传统单模光纤输入了，但这种方法只能用于光纤输入，输出到光纤则要么用锥形透镜光纤接收，要么加微透镜耦合到光纤，两种方法都会增加耦合难度。未来可能的路径是多芯光纤波导。