ECTC 2026 住友/FICT玻璃基板光电集成：树脂封装准直镜实现高公差、温度稳定垂直耦合

在各类光波导基板材料中，玻璃基板兼具低热膨胀系数（CTE）、高平面度的特性，可同时承载电互连与光互连，且相比聚合物波导具备更低的传输损耗与更高的可靠性。通过激光加工等工艺可在玻璃内部制备三维光波导，配合与硅材料匹配的CTE，温度变化引发的翘曲极小，尤其适合多芯片大规模集成场景。基于玻璃波导基板的光电集成封装，通常采用倒装芯片（FC）键合工艺实现PIC与基板的光电同步连接，垂直耦合结构则是实现光信号转接的核心。为改善应力相关问题并提升电走线密度，玻璃基板普遍采用多层结构，光波导制备于顶层。

此前住友研究团队开发的垂直耦合扩束透镜（VCBEL）已验证可兼容倒装键合精度，±3μm对位偏差下附加损耗低于0.1dB，但该结构一面为透镜、另一面为反射镜，结构复杂度高，可制造性受限；同时其依靠空气与树脂的折射率差实现光束折转，无法通过填充树脂实现耦合区域的防尘与污染防护，长期可靠性存在短板。针对上述问题，本文提出基于金属反射涂层准直镜的垂直光耦合方案，在保持宽对位公差的同时简化结构、支持树脂填充，并通过仿真与实验验证了该方案在倒装集成场景下的低损耗与高温稳定性。

一、准直镜垂直耦合结构设计与仿真优化

1. 耦合结构架构

本方案采用离轴抛物面镜作为准直镜结构，通过将输出光束整形为扩束准直光束，实现宽对准公差。为兼容树脂填充的垂直耦合场景，准直镜的反射表面沉积金属反射涂层，依靠镜面反射实现光束折转，不受周围介质折射率变化的影响。

具体结构中，PIC与玻璃波导基板均制备有用于光信号引出的沟槽，准直镜分别制作于两侧沟槽内部，反射面均镀覆金属反射层。该结构可通过3D打印工艺制备原型，具备向晶圆级、面板级制造工艺迁移的潜力。

2. 镜面参数设计

准直镜的核心设计参数为输出光束的模场直径（MFD）。常规PIC的输入输出光束MFD约为3μm，与倒装键合设备±3μm的放置精度处于同一量级，直接耦合会因对位偏差产生灾难性损耗。本设计将输出光束扩束至32μm，目标将±3μm对位偏差引发的损耗增量控制在0.2dB以内。

同时，通过精准设置两侧镜面的曲率，可补偿PIC与玻璃波导之间的模场直径差异，实现最高耦合效率。此外，边缘耦合器与准直镜的波长依赖性较弱，可支持最高100nm的波长带宽，适用于粗波分复用等多波长传输场景。

3. 光学仿真优化

研究采用时域有限差分（FDTD）方法对准直镜及整体耦合结构进行优化设计。仿真模型中，透明树脂折射率设为1.46，与玻璃折射率匹配；将准直镜设为理想电导体模型时，1310nm波长下耦合效率可达-0.84dB，在1260~1360nm的O波段范围内，波长相关损耗波动小于0.1dB。

受计算资源限制，仿真采用理想反射镜模型，实际金属反射膜会引入吸收损耗。以金膜为例，单次镜面反射的吸收损耗约为2.5%，据此推算PIC与玻璃波导之间的整体耦合效率约为-1.1dB。

二、有源耦合特性实验验证

1. 测试系统与样品制备

为验证准直镜的光耦合特性，研究搭建主动对准测试系统：在PIC两侧分别放置带准直镜的玻璃波导基板，通过主动调芯实现对准，测试整体传输特性。

样品制备方面，带镜玻璃由光纤阵列与玻璃波导基板组成，玻璃波导与光纤阵列边缘连接，远离光纤阵列的一侧通过3D打印制备准直镜。PIC芯片尺寸为2.5mm见方，内部直线波导的两端均制备准直镜；准直镜反射面采用溅射工艺镀覆金属反射层，通过掩膜实现局部镀膜，膜层结构为50nm铬粘附层加100nm金反射层，金层厚度足以实现光束全反射。

测试时，在光耦合区域涂覆足量折射率为1.46的透明树脂，完全覆盖准直镜结构；光源采用波长可调谐激光器，通过功率计采集透射光谱，计算耦合效率。

2. 耦合效率与公差特性

测试结果显示，扣除玻璃波导与PIC的内部损耗后，单对准镜对在1310nm波长下的耦合效率为-1.73dB；O波段全波段内波长相关损耗为0.68dB，整体特性平坦，具备波分复用应用潜力。

对位公差测试中，将带镜玻璃沿X、Y方向平移，测试耦合效率随偏移量的变化。结果表明，±3μm对位偏差下的损耗增量仅为0.2dB，与仿真结果高度吻合，验证了准直镜的设计效果。沿Z方向的高度公差测试显示，键合高度偏离设计值对光耦合效率的影响可忽略不计。

三、倒装芯片集成模块的工艺实现与性能

在有源耦合验证准直镜光学性能的基础上，研究完成了PIC在玻璃波导基板上的倒装键合集成，验证工艺兼容性。

玻璃波导基板尺寸为10mm见方，玻璃内部制备光波导，波导边缘加工光耦合沟槽，沟槽内通过3D打印制备准直镜。PIC表面制备金柱凸点，通过倒装键合设备采用热压键合工艺，将PIC与玻璃基板上的金属走线焊盘连接，实现电互连与光对准同步完成。

扫描电子显微镜表征显示，键合后PIC侧与玻璃基板侧的准直镜相对位置偏差，在波导方向为1.6μm，金属走线方向为2.3μm，与倒装键合设备±3μm的放置精度一致，对准状态良好。

键合完成后，在光耦合区域填充折射率为1.46的透明树脂，树脂覆盖PIC下方、沟槽内部及准直镜表面，并通过真空脱泡工艺消除内部气泡。作为原理验证，本实验仅填充透明树脂；实际量产中，电连接区域需填充底部填充树脂，光耦合区域填充透明树脂，两者需分区设置。

最终测试得到，倒装集成模块在1310nm波长下的光耦合效率为-2.30dB。尽管存在倒装键合引入的对位偏差，仍实现了良好的光耦合效果，且树脂填充保护工艺可完全兼容常规倒装键合流程，验证了准直镜扩束耦合方案用于光电集成的可行性。

四、高温环境下的光耦合稳定性分析

常规倒装封装中，底部填充树脂用于保护电连接凸点；但在光电集成结构中，光耦合区域需使用透明树脂。由于高透明度要求限制了填料的添加，透明树脂的CTE通常大于底部填充树脂，温度变化时更易产生结构形变，进而影响光耦合稳定性。

本方案采用的扩束耦合结构，不仅可容忍倒装键合的对位偏差，同样对温度引发的结构形变具备高容忍度。为验证该特性，研究结合二维弹性力学仿真与FDTD光学分析，评估温度变化对光耦合效率的影响。

仿真采用接近实际封装的二维截面模型，包含多层玻璃波导基板、PIC、底部填充树脂与透明树脂。其中PIC尺寸为25×25×0.725mm，玻璃波导基板尺寸为50×50×1.2mm，采用10层结构；光耦合沟槽仅制备于顶层玻璃，无贯穿结构，材料参数均采用实际材料属性。仿真对比25℃初始状态与加热至80℃状态下的结构形变。

结果显示，80℃下各材料发生热膨胀，导致波导边缘中心与准直镜中心发生相对位移，最大位置偏移量为0.34μm，最大角度偏移量为0.05°。得益于扩束后的大模场光束，该形变量对耦合效率的影响极小。通过FDTD对形变后结构的光学特性进行计算，温度从25℃升高至80℃时，光耦合效率的下降仅为0.03dB，证明该结构在高温环境下可实现稳定的光耦合。

五、技术优势与未来优化方向

1. 结构简化与可制造性提升

相比此前的垂直耦合扩束透镜结构，本次采用的准直镜仅需单侧制备反射面，结构大幅简化。该结构可兼容纳米压印、灰度光刻等树脂成型工艺，以及激光辅助刻蚀等玻璃加工工艺，支持晶圆级、面板级规模化制造，为量产落地提供了基础。

2. 树脂填充与可靠性提升

通过在反射面镀覆金属反射层，准直镜结构可完全兼容树脂填充工艺，避免粉尘与污染物对耦合区域的影响，显著提升倒装封装的长期可靠性。当前方案中电连接区与光耦合区需分别填充底部填充树脂与透明树脂，实际量产中可通过在PIC上划分电、光功能区域实现树脂隔离；同时准直镜位于沟槽内部的结构，也可阻挡底部填充树脂流入光耦合区域。为进一步简化工艺，开发兼具底部填充功能的透明树脂是未来的重要优化方向。

3. 温度稳定性优势

对比已有研究中有机基板聚合物波导垂直耦合方案在20℃~85℃范围内0.49dB的平均损耗波动，本方案在25℃~80℃范围内仅0.03dB的损耗变化，温度稳定性优势显著。其核心原因一方面在于扩束垂直耦合结构对位置偏移的高容忍度，另一方面在于玻璃基板的CTE与硅接近，有效抑制了温度变化引发的整体结构形变。

◆ 结论

本文面向共封装光学的玻璃基板光电集成需求，提出了一种兼顾可制造性与可靠性的准直镜垂直光耦合方案。通过在准直镜反射面镀覆金反射层，实现了光耦合区域的树脂填充防护；通过32μm扩束设计，将常规倒装键合±3μm精度下的损耗增量控制在0.2dB以内。

实验结果表明，填充透明树脂后，有源耦合单对准镜对的耦合效率为-1.73dB，O波段波长相关损耗为0.68dB；倒装键合集成模块成功实现光电同步连接，耦合效率达-2.30dB，验证了工艺兼容性。基于实际封装结构的热形变仿真显示，25℃至80℃的温度变化仅引发0.03dB的损耗增量，高温稳定性优异。

该准直镜垂直耦合方案为PIC与玻璃波导基板的倒装光电集成提供了可行的技术路径，有望支撑光波导基板带来的带宽密度跃升，推动共封装光学技术的规模化应用。