摘要

光子芯片集成封裝是一種極具潛力的技術(shù)，它將光學(xué)元件集成到器件中，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、

寬帶寬、低延遲和高能效，有望突破傳統(tǒng)電子元件技術(shù)的局限。尤其是近年來，高性能半導(dǎo)

體、量子計算和數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域的快速發(fā)展，對高速數(shù)據(jù)處理與傳輸提出了更高要求。為滿足

這些需求，器件封裝技術(shù)的發(fā)展聚焦于實現(xiàn)小型化、高效率和高性能，而光子集成芯片封裝

正是滿足這些需求的理想方案。本文綜述了光子集成芯片封裝在元件級、芯片級和系統(tǒng)級的

最新進展，重點分析了當前該技術(shù)面臨的問題與挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展趨勢進行了展望。

1. 引言

集成電路是支撐當前眾多行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，自貝爾實驗室研發(fā)出雙極結(jié)型晶體管以來，

半導(dǎo)體技術(shù)尤其是 CMOS 技術(shù)取得了顯著進步[1]。然而，半導(dǎo)體技術(shù)仍存在一些尚未解決

的技術(shù)難題，如引腳間距大、良率低、延遲高、能耗高以及可靠性低等 [2,3]，這些問題阻

礙了半導(dǎo)體技術(shù)在實際應(yīng)用中的充分推廣。

隨著相關(guān)研究的推進，戈登摩爾提出了摩爾定律，該定律指出集成電路中的晶體管數(shù)量每 2

年將增加一倍 [4]，在半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)發(fā)展過程中，摩爾定律在一段時間內(nèi)確實得到了驗

證。但如今集成化發(fā)展逐漸觸碰到瓶頸，摩爾定律的持續(xù)適用性受到了質(zhì)疑 [5,6]。在此背

景下，“超越摩爾”的概念應(yīng)運而生，研究人員將研究方向劃分為三類：一是“更多摩爾”，即

沿著傳統(tǒng)技術(shù)路線，進一步提升芯片集成度和性能；二是“超越摩爾”，通過異質(zhì)集成實現(xiàn)芯

片堆疊，突破現(xiàn)有技術(shù)限制；三是“超越 CMOS”，研發(fā)現(xiàn)有技術(shù)體系之外的新型計算元件 [7]。

這些研究方向有著不同的應(yīng)用場景。例如，“更多摩爾” 方案可應(yīng)用于現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，

“超越摩爾” 方案適用于量子計算領(lǐng)域，而 “超越 CMOS” 方案則能應(yīng)用于下一代邏輯與存

儲器件、先進光刻與關(guān)鍵工藝步驟、三維系統(tǒng)集成、先進納米互連以及神經(jīng)形態(tài)計算和量子

計算等領(lǐng)域。

根據(jù)組成元件的不同，集成電路可分為 EIC 和 PIC。EIC 由電子元件構(gòu)成，而 PIC 則由光子

元件組成。在封裝方面，EIC 遵循 “更多摩爾” 原則，通過減小芯片尺寸、提高 I/O 密度不

斷發(fā)展，EIC 封裝技術(shù)已從基礎(chǔ)的單芯片封裝，逐步發(fā)展到嵌入式多芯片互連橋 EMIB、重路

由層 RDL 和中介層等更先進的形式，能夠?qū)崿F(xiàn)單個襯底上不同芯片之間的電連接（2D、2.1D、

2.3D 和 2.5D 封裝）[8]。由于 2D 集成存在局限性，業(yè)界推出了 3D 封裝技術(shù)。這種異質(zhì)集

成方式通過芯片垂直堆疊，突破了 2D 集成的限制。然而，異質(zhì)集成也帶來了可靠性問題，

例如上下襯底之間的熱膨脹系數(shù) CTE 差異會導(dǎo)致芯片出現(xiàn)翹曲和開裂等現(xiàn)象 [9]，這些問題

目前仍未得到解決，仍是該領(lǐng)域面臨的長期挑戰(zhàn)。

此外，遵循 “更多摩爾” 原則，研究人員正借助納米級制造技術(shù)提高 EIC 的集成度。但隨著

電路尺寸縮小到納米級別，新的問題隨之出現(xiàn)，如電阻率升高、漏電流增大以及互連擴展受

限等 [10,11]。目前，已有多項研究嘗試通過采用多處理器并行計算來突破單處理器集成的

局限。但 EIC 中尚未解決的互連瓶頸問題，仍在制約著集成電路的性能，即便在多核芯片的并行計算過程中，這一問題也同樣存在 [12]。

為解決這一問題，具有高速遠距離數(shù)據(jù)傳輸、寬帶寬、低延遲和高能效等特點的 PIC 逐漸受

到關(guān)注。憑借這些優(yōu)勢，將 EIC 與 PIC 相結(jié)合，有望有效解決互連瓶頸問題。將 PIC 與 EIC

集成到單個封裝中的技術(shù)被稱為光電共封，該技術(shù)大致可分為單片集成 [13] 和混合集成

[14] 兩種方案。單片集成是將 PIC 和 EIC 集成到單個芯片中，這種方式簡化了封裝流程，提

升了互連性能，但存在工藝成本高、可擴展性差以及后續(xù)制造工藝難以進一步發(fā)展等問題。

與之不同，混合集成的發(fā)展路徑與 EIC 封裝類似，是將 EIC 芯片和 PIC 芯片以 2D 或 3D（異

質(zhì)集成）結(jié)構(gòu)集成在單個襯底上。相較于單片集成，混合集成具有良好的可擴展性，且工藝

難度較低，因為可以利用現(xiàn)有工藝設(shè)備分別制造各個芯片后再進行集成。此外，當器件出現(xiàn)

故障時，可對單個芯片進行更換，維護更為便捷。不過，由于是對單個芯片進行集成，光子

元件之間的精確對準至關(guān)重要，一旦對準出現(xiàn)偏差，就會產(chǎn)生較大的光學(xué)損耗。而實現(xiàn)每個

芯片的精確對準需要復(fù)雜的工藝，因此，為實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和工藝自動化，進一步研發(fā)精確

對準方法十分關(guān)鍵。由此可見，PIC 的封裝技術(shù)仍需進一步發(fā)展才能實現(xiàn)實際應(yīng)用，且與 EIC

封裝技術(shù)類似，PIC 封裝在集成過程中也面臨著諸多挑戰(zhàn)。

本文旨在探討光子集成芯片封裝技術(shù)的發(fā)展，以實現(xiàn)下一代芯片封裝。圖 1 根據(jù)集成規(guī)模，

將光子集成芯片封裝分為元件級光子集成、芯片級封裝和光電共封三類，分別對應(yīng)元件級、

xx 芯片級和系統(tǒng)級的互連。下文將按照該分類順序?qū)庾蛹尚酒庋b進行闡述：首先，

在光學(xué)元件級層面，探討光子集成芯片的基本光學(xué)連接方法；其次，在芯片級層面，介紹適

用于各類光學(xué)器件的光子芯片封裝方法；然后，闡述將 PIC 與 EIC 光電共封方法；最后，總

結(jié)光子集成芯片封裝技術(shù)目前仍存在的挑戰(zhàn)，并對未來發(fā)展前景進行展望。

2. 元件級光子集成方法

2.1 光纖-芯片集成

要充分發(fā)揮光互連的優(yōu)勢，關(guān)鍵在于將通過光纖傳輸?shù)墓飧咝У?a href="http://cshb120.cn/tags/耦合/" target="_blank">耦合到芯片中，以及將芯片

中的光高效地耦合到光纖中。光纖-芯片集成中最關(guān)鍵的問題是最大限度地降低耦合損耗，

本節(jié)將詳細介紹光纖-芯片集成常用的耦合方法。

2.1.1 3D 聚合物耦合

如圖 2a 所示，3D 聚合物結(jié)構(gòu)被用作耦合器，以實現(xiàn)光纖與芯片的有效連接 [15]。這種結(jié)

構(gòu)能夠架起宏觀光纖與納米級波導(dǎo)之間的 “橋梁”[20]，通常由錐形區(qū)域和球形區(qū)域兩部分組

成。錐形區(qū)域可擴大光模場，實現(xiàn)從波導(dǎo)模場到錐形區(qū)域內(nèi)自由傳播光束的過渡；球形區(qū)域

與全反射面配合，將光束引導(dǎo)出芯片平面。在制造常見的 3D 聚合物結(jié)構(gòu)時，會采用最先

進的直接激光寫入系統(tǒng)，搭配 IP-Dip 光刻膠，切片間距和填充間距均設(shè)置為 100 nm [15,21]。

在某些應(yīng)用場景中，會采用一種與上述典型 3D 聚合物結(jié)構(gòu)略有不同的 3D 結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)

3D 聚合物結(jié)構(gòu)類似，該結(jié)構(gòu)也包含錐形區(qū)域（波導(dǎo)從芯片以一定角度彎曲延伸）和用于聚

焦出射光束的球形透鏡部分。但不同的是，它并非僅由球形部件構(gòu)成，而是在前端設(shè)有兩個

從芯片表面向上延伸的支撐系繩 [20]。這些支撐系繩能夠補償向上彎曲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的機械扭

矩，同時對散射損耗和耦合效率的影響極小。

此外，研究人員還開發(fā)了一種不含球形透鏡區(qū)域的 3D 耦合器結(jié)構(gòu) [22]。這種 3D 自由形

態(tài)耦合器采用聚合物材料，通過基于雙光子聚合的直接激光寫入技術(shù)制成，具有靈活的設(shè)計

結(jié)構(gòu)，可分為四個部分：第一部分通過反向錐形設(shè)計，實現(xiàn)從硅波導(dǎo)（SiWG）到聚合 SU8 波

導(dǎo)的模場轉(zhuǎn)換；第二部分借助離面配置的歐拉彎曲波導(dǎo)，將光的傳輸方向從水平轉(zhuǎn)為垂直；

第三部分作為錐形波導(dǎo)-光纖模場轉(zhuǎn)換器，通過方形對稱錐形結(jié)構(gòu)擴大波導(dǎo)模場，使其與單

模光纖（SMF）的模場相匹配；最后，為保證耦合器的機械穩(wěn)定性，還集成了支撐柱。這種

四部分組成的 3D 聚合物結(jié)構(gòu)，通過擴大波導(dǎo)模場以匹配單模光纖尺寸，實現(xiàn)了高耦合效

率，同時錐形區(qū)域的方形對稱性降低了偏振相關(guān)性。此外，聚合物材料的低色散和低吸收特

性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶傳輸且傳播損耗較低。

3D 聚合物耦合技術(shù)不僅能最大限度地減少光學(xué)損耗，實現(xiàn)光通信系統(tǒng)中光的高效傳輸，還

能降低對光學(xué)特性的依賴，最終實現(xiàn)高耦合效率。這些優(yōu)勢使其在光通信和傳感器應(yīng)用中有

望發(fā)揮重要作用。

2.1.2 邊耦合

邊耦合是光芯片中一種常用的耦合方法，也是實現(xiàn)高效光纖-芯片集成的基礎(chǔ)且關(guān)鍵的技術(shù)。

該方法采用面內(nèi)耦合方式，通過將光纖端面與光學(xué)器件表面對準，使光耦合到光學(xué)器件的邊

緣，從而實現(xiàn)光的發(fā)射和或接收 [23]。邊耦合的優(yōu)勢在于，即使光纖與光芯片之間的間隙

很小，也能實現(xiàn)光的高效傳輸 [24,25]，因此特別適合高密度光子器件集成和微光學(xué)模塊的

研發(fā)。

然而，要實現(xiàn)光纖纖芯與芯片上波導(dǎo)的亞微米級對準精度 [26] 并非易事。這就需要精密對

準技術(shù)，以最大限度地減少光纖對準和耦合損耗，同時對光纖和光子器件的表面質(zhì)量要求極

高 [27]。這意味著在制造過程中，需要復(fù)雜的技術(shù)和精密的制造工藝。此外，要在光子芯

片的側(cè)面進行邊耦合，還必須對芯片側(cè)面進行拋光等額外預(yù)處理。由此可見，盡管邊耦合是

一種非常普遍且簡單的光學(xué)連接方法，但仍需要精密的對準系統(tǒng)和拋光等預(yù)處理流程。

根據(jù)耦合端是否存在透鏡結(jié)構(gòu)，邊耦合方法大致可分為對接耦合（butt coupling）和端面發(fā)

射耦合（end-fire coupling）兩類。對接耦合在耦合端沒有用于聚光的透鏡結(jié)構(gòu)，只需將光

纖端面與光學(xué)器件表面直接對接，[28-30]。因此，這種方法通常用于將發(fā)光二極管或激光

二極管等光源器件發(fā)出的光高效地耦合到芯片上的波導(dǎo)中，損耗極小。例如，研究人員利用

對接耦合技術(shù)開發(fā)了一種集成孤子微梳器件，該器件由半導(dǎo)體激光二極管和氮化硅（Si?N?）

微諧振器芯片組成 [31]。通過對接耦合方法，將分布反饋激光二極管 DFB 直接與 Si?N?微

諧振器芯片耦合，并且激光二極管與微諧振器芯片之間的距離調(diào)節(jié)精度超過 100 nm。

在端面發(fā)射耦合中，耦合器件的端面會設(shè)置用于聚光的透鏡結(jié)構(gòu)。在各類端面發(fā)射耦合方法

中，最具代表性的是采用透鏡光纖的耦合方法。通常情況下，激光二極管等光源發(fā)出的光會

通過透鏡光纖耦合到芯片端面的波導(dǎo)中 [32-51]。例如，可利用透鏡光纖將工作在通信波長

的可調(diào)諧激光器與 Si?N?芯片相結(jié)合（圖 2b）。此外，通過精確對準，可將 DFB 激光器與

Si?N?光子芯片上的光波導(dǎo)進行邊耦合，實現(xiàn)光的高效注入，隨后光通過間距為 550nm 的單

點耦合器耦合到環(huán)形諧振器中，之后，耦合的光可通過透鏡光纖傳輸和收集，最終傳輸?shù)焦庾V分析儀中。

在另一項研究中，研究人員在可見光波段通過透鏡光纖將光端面發(fā)射耦合到芯片中 [17]。

所使用的光源是 685 nm 連續(xù)波激光二極管，激光發(fā)出的光通過透鏡光纖的反向錐形結(jié)構(gòu)

傳輸?shù)叫酒系牡瑁⊿iN）波導(dǎo)中。在該結(jié)構(gòu)中，反向錐形的長度為 200 μm，最小寬

度為 180 nm。該光學(xué)器件針對聚焦光斑直徑為 2μm 的透鏡光纖進行了耦合優(yōu)化，預(yù)測每

個端面的耦合損耗約為 1.5 dB。在集成可見光雪崩光電探測器 PD 與輸入波導(dǎo)之間，采用透

鏡光纖實現(xiàn)的高效端面發(fā)射耦合方法，為克服入射光耦合限制、降低耦合損耗提供了一種可

行的解決方案。

2.1.3 光柵耦合

光柵耦合器是實現(xiàn)光纖-芯片耦合的常用器件，其特點是在特定表面上采用多種材料制成周

期性結(jié)構(gòu) [52-57]。通常情況下，利用光柵耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)光從光纖到芯片的高效耦合

[58-70]。在光子芯片上，光柵耦合器通常通過刻蝕或沉積非晶硅的方式制造 [71,72]。在這

種結(jié)構(gòu)中，光的傳播行為會因材料的折射率和光的波長不同而發(fā)生變化 [73]。如果光柵耦

合器材料中折射率變化的周期大于其中光的波長，光的衍射效應(yīng)會增強；反之，當光柵耦合

器中折射率變化的周期小于其中光的波長時，光的傳播特性與在均勻介質(zhì)中的傳播特性相似，

且這種相似性會隨著周期的減小而更加顯著。為實現(xiàn)光的耦合，需將光纖置于光柵耦合器周

期性結(jié)構(gòu)的上方 [74]。經(jīng)過光纖傳輸?shù)墓?，在光柵結(jié)構(gòu)的作用下，傳播方向會從離面波矢

方向轉(zhuǎn)變?yōu)槊鎯?nèi)波導(dǎo)方向，隨后通過轉(zhuǎn)換器耦合到芯片上的波導(dǎo)中。

光柵耦合器通常具有寬工作帶寬的優(yōu)勢，而且其結(jié)構(gòu)直接在光子芯片表面形成，占用空間小，

可實現(xiàn)小型化。此外，它與多種芯片制造工藝兼容，能夠輕松與其他光子元件集成。不過，

受其工作原理的限制，光柵耦合器也存在固有缺陷，例如，其耦合效率通常低于邊耦合器，

且結(jié)構(gòu)對波長和偏振的依賴性較強。

如圖 2c 所示，在用于亞納秒圖像分類的集成端到端光子深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PDNN）中，就采

用了光柵耦合器 [18]。在芯片的輸入像素層，圖像形成的位置設(shè)置了光柵耦合器。來自像

素陣列的光波被耦合到光子波導(dǎo)中，然后通過芯片上不同的神經(jīng)元層傳播，以實現(xiàn)信號處理。

具體而言，輸入像素層采用了 5×6 陣列的光柵耦合器，這些耦合器接收的 30 路信號，通

過由納米光子波導(dǎo)構(gòu)成的光子網(wǎng)絡(luò)，被劃分為四組相互重疊的 12 像素子圖像。此外，上述

5×6 陣列的光柵耦合器還被重復(fù)用于圖像形成校準和神經(jīng)元層訓(xùn)練。由此可見，通過光柵耦

合器實現(xiàn)的高效光纖-芯片集成，能夠為光源輔助的圖像處理提供光耦合支持，充分體現(xiàn)了

光子深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片卓越的圖像分類能力。

此外，研究人員還設(shè)計出了與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同的光柵耦合器。如圖 2d 所示，在金剛石量子光

子學(xué)領(lǐng)域，為避免傳統(tǒng)方法中通常通過刻蝕實現(xiàn) z 軸方向不對稱的問題，采用了一種名為反

向設(shè)計垂直耦合器的結(jié)構(gòu) [19]。具體而言，反向設(shè)計垂直耦合器的最優(yōu)形狀是通過電磁仿

真確定的，同時還確定了優(yōu)化的設(shè)計區(qū)域和性能指標。圖 2d 顯示，隨著優(yōu)化迭代次數(shù)的

增加，耦合效率不斷提高，直至收斂，從而得到最優(yōu)的耦合器形狀。尺寸為 1.0×1.0μm 的

耦合器無需錐形結(jié)構(gòu)，可直接與寬度為 400nm 的波導(dǎo)耦合。通過電磁仿真對反向設(shè)計進行

調(diào)整，以實現(xiàn)最優(yōu)性能，其中垂直入射的高斯光束構(gòu)成的輻射源位于 1.0×1.0μm 設(shè)計區(qū)域

的中心。為支撐該區(qū)域，在左側(cè)設(shè)置了兩個支撐條，右側(cè)則設(shè)有用于出射光的輸出波導(dǎo)。結(jié)果表明，在 737nm 波長下，耦合效率最高可達約 27.5%，證明該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高效耦合。此

外，反向設(shè)計垂直耦合器的緊湊型結(jié)構(gòu)，有望為更先進、更復(fù)雜的量子電路研發(fā)提供支持。

2.2 芯片間互連

隨著各類光子元件在光子芯片上朝著高度緊湊型集成方向快速發(fā)展，芯片級的信號傳輸已成

為關(guān)鍵問題，每個芯片都集成了大量元件，芯片之間的有效通信在芯片封裝中至關(guān)重要。因

此，旨在最大限度降低損耗、實現(xiàn)芯片間高效信號耦合的芯片間互連方法相關(guān)研究正積極推

進。本節(jié)將介紹幾種高效的芯片間互連方法。

2.2.1 光子引線鍵合

光子引線鍵合（PWB）是實現(xiàn)芯片間光學(xué)連接的常用方法。該方法與用于芯片間電連接的引

線鍵合方法類似，但在工藝和材料方面存在差異。光子引線鍵合充當了每個芯片上光子元件

之間的 “橋梁”，其核心是具有 3D 幾何結(jié)構(gòu)的聚合物波導(dǎo)（PWGs），這些波導(dǎo)以引線結(jié)構(gòu)

的形式跨越芯片之間的間隙 [80-84]。通過類似引線的聚合物波導(dǎo)，從一個芯片傳輸?shù)墓庑?/p>

號能夠傳遞到另一個芯片，從而實現(xiàn)有效的信號處理。

與其他先進的光學(xué)互連技術(shù)相比，光子引線鍵合方法通常具有成本優(yōu)勢。它所需材料極少，

且無需額外的耦合元件，結(jié)構(gòu)緊湊 [85]。因此，該方法有利于自動化大規(guī)模生產(chǎn)，且在實

現(xiàn)光學(xué)芯片互連的靈活性和高性能方面具有優(yōu)勢 [82,86]。然而，由于該方法采用聚合物波

導(dǎo)，與光纖相比，其光學(xué)損耗更高，這可能導(dǎo)致信號衰減和信號傳輸不穩(wěn)定。此外，受材料

特性影響，該方法對溫度變化等環(huán)境條件較為敏感，易造成性能波動。而且，如果光子引線

鍵合的幾何設(shè)計參數(shù)（如直徑、錐形長度、錐形直徑、曲率和表面粗糙度）設(shè)計不當，會引

發(fā)較大的光學(xué)損耗 [87]。在光學(xué)互連中，要實現(xiàn)高效的光信號傳輸，關(guān)鍵在于使互連元件

的光模場直徑與光子引線鍵合的直徑相匹配。為此，通常采用錐形結(jié)構(gòu)來匹配互連元件與光

子引線鍵合的不同直徑。隨著錐形長度的增加，結(jié)構(gòu)形態(tài)的突變程度減小，光學(xué)損耗隨之降

低，并逐漸趨于穩(wěn)定。最優(yōu)的錐形直徑取決于互連元件的模場直徑，而這一參數(shù)決定了可實

現(xiàn)的最小光學(xué)損耗。此外，當光子引線鍵合的直徑減小時，單模傳輸?shù)闹鲗?dǎo)性增強，光學(xué)損耗也會降低。但隨著界面處表面粗糙度的增加，表面散射效應(yīng)會更加顯著，進而導(dǎo)致光學(xué)損

耗升高。另外，如果互連元件的表面粗糙度較高，在光子引線鍵合工藝過程中，還會造成激

光束散射，影響結(jié)構(gòu)的精確成型。就光子引線鍵合本身的互連性能而言，當光子引線鍵合的

曲率半徑超過約 30μm 時，光信號將無法在結(jié)構(gòu)內(nèi)得到充分約束，從而導(dǎo)致?lián)p耗增加。因此，

要最大限度降低光子引線鍵合的光學(xué)損耗，必須確定最優(yōu)的幾何設(shè)計參數(shù)，并高精度制造光

子引線鍵合結(jié)構(gòu)。

例如，研究人員采用直寫雙光子光刻制造工藝，實現(xiàn)了光子芯片之間基于 3D 自由形態(tài)聚合

物波導(dǎo)的光子引線鍵合 [88]。該多芯片模塊由多個基于磷化銦（InP）、絕緣體上硅（SOI）

等不同材料的光子芯片組成。首先，利用取放設(shè)備將這些芯片固定在預(yù)先設(shè)計好、帶有單模

光纖陣列的子基座上，并確保其預(yù)定位精度，該過程的定位公差約為≥10 μm，無需高精度

對準。隨后，通過雙光子光刻工藝制造自由形態(tài)聚合物波導(dǎo)，實現(xiàn)芯片之間的耦合。在光刻

工藝中，采用負性光刻膠（Nanoscribe IP-Dip，在 780nm 波長下折射率 n=1.52），并通過

兩步顯影工藝去除未曝光的光刻膠：先使用丙二醇甲醚醋酸酯作為顯影劑顯影 20 分鐘，然

后用異丙醇（2-丙醇）沖洗。這種方法的優(yōu)勢之一在于，借助高分辨率 3D 成像和計算機

視覺技術(shù)獲取精確的位置和方向信息后，可以根據(jù)需求靈活調(diào)整聚合物波導(dǎo)的橫截面和軌跡。

研究發(fā)現(xiàn)，芯層折射率 ncore=1.52、波導(dǎo)橫截面尺寸為 2.0×1.6μm 的聚合物波導(dǎo)具有良好的

機械穩(wěn)定性，且適用于包層折射率 nclad=1.36 的材料。這種結(jié)構(gòu)的彎曲半徑最小可達 35μm，

適用于緊湊型多芯片組件。值得注意的是，當光子引線鍵合與硅光子（SiP）電路耦合時，

將嵌入的硅波導(dǎo)芯層向下錐形化，并與向上錐形化的聚合物波導(dǎo)波導(dǎo)相結(jié)合，可實現(xiàn)更有效

的耦合。通過光子引線鍵合實現(xiàn)的高效芯片間耦合，成功實現(xiàn)了硅光子調(diào)制器陣列與磷化銦

激光器以及單模光纖的有效連接。在芯片級測試中，對 100 個光子引線鍵合進行測量，其

耦合損耗為（0.73±0.15）dB。此外，由 8 個獨立磷化銦激光器、8 個硅光子調(diào)制器陣列和

單模光纖組成的系統(tǒng)，其總線路速率達到 448 Gbit/s；而由 4 個磷化銦激光器和硅基同相正

交調(diào)制器組成的系統(tǒng)，在 75km 傳輸距離下，總線路速率達到 784Gbit/s，展現(xiàn)出高效且高

速的數(shù)據(jù)傳輸能力。光子引線鍵合技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)芯片的并排放置，且無需高精度對準，

因此在自動化工藝中，既能實現(xiàn)高效的熱連接，又能實現(xiàn)高效的光學(xué)耦合。

另一種替代光刻的方法如圖 3a 所示，即通過暴露于空氣的聚合反應(yīng)實現(xiàn)直接光學(xué)引線鍵合，

進而構(gòu)建芯片間的光學(xué)鏈路 [75]。這種耦合是通過拱形引線形成的橋狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，該結(jié)

構(gòu)的制造過程是：從微移液器尖端抽取聚合物溶液，在布線過程中，溶液在空氣中固化，最

終形成拱形引線。為實現(xiàn)芯片之間的連接，在每個芯片上波導(dǎo)的末端設(shè)置光柵耦合器（周期

為 620nm、刻蝕深度為 70nm、長度為 15.2μm），用于與聚合物引線耦合。可調(diào)諧激光器發(fā)

出的光通過光柵耦合器耦合，形成導(dǎo)波光模場，隨后通過聚合物引線傳輸?shù)搅硪粋€芯片。將

聚苯乙烯粉末（在 1550nm 波長下折射率 n=1.54）溶解在二甲苯溶劑中，配制質(zhì)量濃度為

0.5%的聚合物溶液。將該聚合物溶液注入玻璃微移液器中，用于后續(xù)工藝。從微移液器（尖

端直徑為 0.5 μm）中擠出液體彎月面，并將其定位在光柵區(qū)域。移動并拉伸微移液器時，

彎月面內(nèi)的聚合物溶液在空氣中快速固化，二甲苯揮發(fā)，最終形成聚合物引線。通過調(diào)整微

移液器的提拉動作，可以對引線的形狀進行物理控制。聚合物引線與光柵接觸端的形狀對光

的高效耦合至關(guān)重要，這凸顯了合理調(diào)整工藝條件的重要性。實驗結(jié)果表明，與采用 8° 拋

光單模光纖的傳統(tǒng)方法相比，聚合物引線鍵合在插入損耗的波長依賴性方面表現(xiàn)更優(yōu)。這一

特性證明，該方法在各類光學(xué)器件和芯片的封裝中具有實際應(yīng)用價值。

2.2.2 自由形態(tài)耦合的原位 3D 納米打印

光束整形元件可作為一種耦合方法，用于實現(xiàn)高效的芯片間互連。研究人員采用 3D 雙光

子光刻技術(shù)，在相應(yīng)光學(xué)元件的端面上直接制造出這些光束整形結(jié)構(gòu) [89-91]。如圖 3b 所

示，在邊發(fā)射激光器的端面上，打印出一個自由形態(tài)透鏡，使其與波導(dǎo)對準，對準精度超過

100 nm [76]。高分辨率機器視覺技術(shù)及相應(yīng)制造工藝的應(yīng)用，大幅提高了設(shè)計靈活性，能

夠?qū)崿F(xiàn)不同元件模場分布的精確匹配。這一優(yōu)勢確保了低損耗耦合，從而提升了集成效率。

光束整形元件可實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形式，具備豐富的功能，例如具有單一折射面的自由形態(tài)透鏡、

采用自由形態(tài)鏡面的反射元件、結(jié)合凹透鏡與凸透鏡以擴大光束直徑的結(jié)構(gòu)，以及高性能多

透鏡組件等。能夠?qū)崿F(xiàn)多種結(jié)構(gòu)形式的特點，使得在芯片與另一芯片連接時，可以在所需方

向和位置實現(xiàn)耦合，這在光學(xué)封裝中具有顯著優(yōu)勢。此外，這些結(jié)構(gòu)可設(shè)計為在空氣或低折

射率包層材料中工作，在實現(xiàn)功能的同時，最大限度減少反射，或保護光學(xué)表面免受外部因

素影響。

為評估耦合效率，研究人員采用光束整形結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了邊發(fā)射 DFB 與單模光纖的耦合。光束

整形元件分別制作在激光器或單模光纖的端面上，通過實驗觀察耦合效率以及單模光纖在水

平、垂直和軸向移動時的靈敏度。當光束整形元件制作在激光器端面上時，在光纖最佳定位

狀態(tài)下，耦合損耗為 1.0 dB（耦合效率 η=80%），在水平和垂直方向上的 1 dB 位置公差為

±1.9 μm，在軸向方向上為 ±12.5μm。而當光束整形元件制作在光纖端面上時，最佳對準狀

態(tài)下的最小耦合損耗為 0.6dB（耦合效率 η=88%），水平和垂直方向上的 1 dB 位置公差為

±0.7μm，軸向方向上為 ±4.8μm。這些結(jié)果表明，光束整形元件的耦合效率超過了透鏡光

纖的最大效率（通常為 80%）。因此，借助原位 3D 納米打印技術(shù)制造自由形態(tài)結(jié)構(gòu)，能夠

實現(xiàn)芯片間的高效耦合，且該方法具有良好的位置公差特性，適用于各類邊發(fā)射和面發(fā)射器

件。特別是，該方法可為光子集成芯片的有效封裝提供支持。

2.2.3 聚合物波導(dǎo)

聚合物波導(dǎo)（PWGs）是光子學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，是實現(xiàn)光子芯片之間光信號高效傳輸?shù)闹?/p>

要載體。這類波導(dǎo)由透明聚合物材料制成，通常具有平面或圓柱形幾何結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)有可引

導(dǎo)和傳輸光的通道 [92-95]。這些通道利用聚合物材料的折射率差異，將光引導(dǎo)至所需方向

[96-98]。因此，光信號可沿波導(dǎo)傳播，實現(xiàn)光子芯片之間的信號傳輸，進而完成 PIC 內(nèi)部

的互連。由于采用聚合物材料，聚合物波導(dǎo)具有良好的柔韌性，可彎曲成多種形狀 [99]。

此外，其制造成本相對較低，且易于加工，能夠滿足靈活設(shè)計需求，適用于光通信和傳感器

應(yīng)用中的特定要求 [100,101]。然而，與光纖相比，聚合物波導(dǎo)的光學(xué)損耗通常更高，不適

用于長距離信號傳輸。而且，受聚合物材料固有特性影響，在高溫環(huán)境下其性能可能會下降，

存在熱穩(wěn)定性方面的挑戰(zhàn)。盡管存在這些不足，但憑借成本效益和出色的靈活性，聚合物波

導(dǎo)在光通信系統(tǒng)中的芯片間數(shù)據(jù)傳輸和通信領(lǐng)域仍得到廣泛應(yīng)用。

圖 3c 展示了利用單模聚合物波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)芯片互連的示意圖 [77]。聚合物波導(dǎo)與帶有硅

波導(dǎo)的硅光子芯片之間的高效耦合至關(guān)重要。目前，光柵耦合器的應(yīng)用較為普遍，但由于其

諧振特性，存在較強的偏振依賴性和波長依賴性。因此，在這項研究中，采用了絕熱光學(xué)耦

合技術(shù)。絕熱光學(xué)過程指的是結(jié)構(gòu)幾何形狀緩慢變化，從而避免入射模場的能量轉(zhuǎn)移到其他

模場的一種狀態(tài)。硅波導(dǎo)與聚合物波導(dǎo)之間的絕熱光學(xué)耦合，是通過使兩者的芯層直接接觸

或充分靠近實現(xiàn)的：隨著硅波導(dǎo)寬度的逐漸減小，硅波導(dǎo)內(nèi)高度約束的光模場會逐步引導(dǎo)至

聚合物波導(dǎo)中，實現(xiàn)絕熱轉(zhuǎn)換。在這種結(jié)構(gòu)中，光的傳輸過程如下：首先，通過輸入硅波導(dǎo)錐形結(jié)構(gòu)，光完全被約束在硅波導(dǎo)芯層內(nèi)；到達錐形結(jié)構(gòu)中心時，光覆蓋兩個波導(dǎo)芯層；最終，在錐形結(jié)構(gòu)末端，光完全被約束在單模聚合物波導(dǎo)芯層內(nèi)并實現(xiàn)傳輸。這種光傳輸特性

不僅適用于光從硅波導(dǎo)傳輸?shù)骄酆衔锊▽?dǎo)的情況，也適用于光從聚合物波導(dǎo)傳輸?shù)焦璨▽?dǎo)的

反向情況。通過光刻工藝，可在硅光子芯片上輕松制造出聚合物波導(dǎo)。實驗結(jié)果表明，當損

耗僅增加 1 dB 時，聚合物波導(dǎo)與硅光子芯片之間的對準公差為 2 μm，且反射損耗低于- 45

dB。這種光耦合方法無需硅波導(dǎo)與聚合物波導(dǎo)模場之間的相位匹配（即使兩者的有效折射

率不同），因此在偏振公差和波長公差方面具有顯著優(yōu)勢。此外，由于能夠在單次鍵合過程

中同時實現(xiàn)多個硅波導(dǎo)與聚合物波導(dǎo)的連接，該方法非常適用于需要大規(guī)模通道的光學(xué)系統(tǒng)。

因此，這種聚合物波導(dǎo)技術(shù)與標準倒裝芯片工藝兼容，可實現(xiàn)硅光子芯片在同一載體襯底上

的共封裝，有望為光學(xué)封裝技術(shù)中芯片間互連的發(fā)展提供重要助力。

另一個實例中，研究人員利用高密度、低損耗的聚合物光學(xué)波導(dǎo)，開發(fā)出一種可植入的光子

平臺，如圖 3d 所示 [78]。為實現(xiàn)光在生物組織中的傳輸并最大限度減少組織損傷，采用

聚對二甲苯 C（Parylene C）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等生物相容性材料。需要注意的是，

由于需要利用全反射原理，因此采用高折射率系數(shù)（n=1.639）的聚對二甲苯 C 作為波導(dǎo)

芯層，而采用相對低折射率系數(shù)（n=1.4）的聚二甲基硅氧烷作為波導(dǎo)包層。這種顯著的折

射率差異具有諸多優(yōu)勢，如增強模場約束、降低彎曲損耗等。但同時，也會因側(cè)壁不規(guī)則性

導(dǎo)致散射損耗增加。因此，對波導(dǎo)側(cè)壁進行平滑處理可能有助于提升整體性能。集成激光二

極管發(fā)出的光，或與外部激光源連接的光纖端面發(fā)出的光，在探頭后端耦合到波導(dǎo)中，沿 5

cm 長的波導(dǎo)傳輸后，從輸出端口射出。在輸入和輸出端口嵌入的 45° 微鏡實現(xiàn)了單片集

成，這種結(jié)構(gòu)能夠在 90° 垂直方向上實現(xiàn)高效的寬帶輸入或輸出耦合，從而有效完成光耦

合。傳統(tǒng)的沿平面軸引導(dǎo)光的方法會導(dǎo)致探頭表面的大部分區(qū)域被照亮，進而限制了可在表

面排列的非重疊輸出端口數(shù)量。而通過在輸出端口采用微鏡結(jié)構(gòu)，將光引導(dǎo)至探頭表面的垂

直方向，可克服這一限制。實驗結(jié)果顯示，該聚合物波導(dǎo)技術(shù)在不同波長范圍內(nèi)均表現(xiàn)出低

耦合損耗，在波長 λ=680 nm、633 nm、532 nm 和 450 nm 時，損耗分別為 3.2 dB/cm、

4.1 dB/cm、4.9 dB/cm 和 6.1 dB/cm。由此可見，聚合物波導(dǎo)技術(shù)具有靈活性和緊湊型的優(yōu)

勢，是未來光學(xué)封裝應(yīng)用中的一種極具潛力的技術(shù)，有望在提升芯片間耦合效率的同時，適

用于各類柔性襯底。

2.2.4 光纖

光纖是一種纖細且柔韌的纖維，通常由玻璃或塑料制成，在數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，依靠光來發(fā)送

和接收信息。光在光纖內(nèi)部借助折射率的差異，通過多次全反射實現(xiàn)傳播，進而延長傳輸距

離并保護信號 [102-104]。根據(jù)光的傳播模式，光纖可分為單模光纖（SMFs）和多模光纖。

單模光纖一般用于長距離通信，其纖芯直徑較小 [105-109]。這種特性使得光能夠以單一光

束的形式沿直線傳播，有利于信號實現(xiàn)長距離傳輸。此外，單模光纖的帶寬遠高于多模光纖，

并且通常采用激光二極管作為光源。與之不同，多模光纖更適合短距離通信。由于其纖芯直

徑較大，能夠允許多種光模式同時傳播，從而實現(xiàn)更多數(shù)據(jù)的并行傳輸 [110-112]。但由于

光的傳播路徑存在差異，在到達接收端之前，信號出現(xiàn)損耗和干擾的可能性更高。多模光纖

通常采用發(fā)光二極管作為光源，這類光源光譜范圍較寬，性能也相對穩(wěn)定。

總體而言，光纖具有帶寬寬、數(shù)據(jù)傳輸速度快等顯著優(yōu)勢。借助光的特性，光纖能夠高效傳

輸大量數(shù)據(jù)，且無需頻繁對信號進行放大。此外，由于光纖對電噪聲和干擾不敏感，光纖系

統(tǒng)在長距離傳輸過程中仍能保持較高的信號強度，因此適用于長距離通信。不過，光纖系統(tǒng)也存在一些缺點，例如初始安裝成本較高、損壞后修復(fù)和維護難度大，而且受材料特性影響，

容易因物理沖擊而損壞。盡管如此，憑借高速數(shù)據(jù)傳輸這一獨特優(yōu)勢，光纖在長距離通信和

高速互聯(lián)網(wǎng)連接中得到了廣泛應(yīng)用。此外，在未來光子芯片的光學(xué)互連和封裝技術(shù)發(fā)展進程

中，光纖有望發(fā)揮關(guān)鍵作用。

如圖 3e 所示，在硅光波導(dǎo)中，可采用一種集成多維通信方案，該方案結(jié)合了波長復(fù)用和模

式復(fù)用技術(shù)，其中就運用了光纖 [79]。這種光纖的纖芯為矩形，由鍺摻雜材料制成，周圍

環(huán)繞著環(huán)形二氧化硅包層材料。光纖的形狀接近完美圓形，包層直徑為 125 μm，纖芯尺寸

為 32×8 μm，折射率調(diào)制約為 0.005。此外，要實現(xiàn)芯片間的有效連接，關(guān)鍵在于將芯片上

收發(fā)器的光高效耦合到通信鏈路中。為此，研究人員采用了反向設(shè)計的光柵耦合器。該光柵

耦合器能夠保留并發(fā)射所有垂直于芯片的空間模式，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為在垂直于表面的方向上發(fā)

射最小特征尺寸為 80 nm 的多模光束。同時，該結(jié)構(gòu)還致力于最大限度地減少當光信號從

光纖傳輸?shù)叫酒瑫r，多模光纖的空間模式向硅芯片的反向耦合。激光器產(chǎn)生的光通過透鏡光

纖耦合到發(fā)射端芯片上的單模輸入波導(dǎo)中。隨后，發(fā)射端芯片借助模式分割復(fù)用（MDM）

復(fù)用器和光柵耦合器，將光傳輸?shù)蕉嗄９饫w的空間模式中。研究中采用了 5 米長的多模光

纖，在光信號從發(fā)射端芯片傳輸?shù)浇邮斩诵酒倪^程中，將橫向方向的模式限制為單模，垂

直方向的模式限制為四種，從而確保了較低的模間串擾。接收端芯片通過光柵耦合器和模式

分割復(fù)用解復(fù)用器接收光信號，進而能夠在單模輸出波長下對傳輸?shù)男盘栠M行單獨表征。實

驗結(jié)果顯示，利用多模光纖和反向設(shè)計耦合器傳輸光時，在 35 nm 的光譜帶寬內(nèi)，所有空

間模式通道的模式相關(guān)損耗差異均小于 2.5 dB，同時串擾性能較低，范圍在-10.5 至-17.1 dB

之間。這些結(jié)果不僅驗證了該系統(tǒng)在實現(xiàn)高效光傳輸方面的有效性，還證實了光纖在芯片間

高速、寬帶傳輸中能夠發(fā)揮高效作用，為利用該技術(shù)實現(xiàn)光子集成芯片的集成化和微型化奠

定了基礎(chǔ) [192]。

2.3 芯片內(nèi)光學(xué)重路由

與上述的光纖-芯片集成和芯片間互連方法不同，芯片內(nèi)光學(xué)重路由是指在同一芯片內(nèi)部，

將光信號從一條光路傳輸?shù)叫酒瑑?nèi)另一層的另一條光路。要將光信號傳輸?shù)讲煌瑢拥墓饴罚?/p>

就需要能夠改變原有光路的結(jié)構(gòu)。在光子芯片封裝中，常用于實現(xiàn)這一目的的兩種主要結(jié)構(gòu)

是反射鏡和光子中介層。本節(jié)將介紹利用這兩種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)芯片內(nèi)光學(xué)重路由的方法。

2.3.1 基于反射鏡的光學(xué)重路由

在光纖-芯片和芯片間互連技術(shù)中，反射鏡結(jié)構(gòu)可用于實現(xiàn)垂直耦合 [115]。與邊耦合不同，

垂直耦合能夠通過芯片的離面表面實現(xiàn)光學(xué)連接，無需對芯片邊緣進行拋光處理 [116]。因

此，垂直耦合在晶圓級測試中具有優(yōu)勢。此外，反射鏡結(jié)構(gòu)不僅可用于外部連接，還能用于

芯片內(nèi)光學(xué)重路由，從而實現(xiàn)光路高度集成，打造緊湊型多層光子芯片。而且，與基于光柵

耦合器的垂直耦合相比，基于反射鏡的結(jié)構(gòu)具有寬帶寬和低偏振相關(guān)的優(yōu)勢，而基于光柵耦

合器的垂直耦合可能會受到光干涉的影響，并且對波長和偏振具有依賴性 [117,118]。圖 4a

展示了基于反射鏡的芯片內(nèi)光學(xué)重路由的側(cè)視概念示意圖，以及底面反射鏡的 3D 表面輪

廓 [113]。通常情況下，底面反射鏡設(shè)計為曲面形狀，以形成準直光束，這一設(shè)計通常通過

灰度直接激光光刻技術(shù)實現(xiàn)，而非傳統(tǒng)的蝕刻工藝（傳統(tǒng)蝕刻工藝會形成平面表面）。盡管

底面和頂面反射鏡能夠?qū)⒃脊馐墓饴穫鬏數(shù)叫酒牟煌瑢樱_制造這些結(jié)構(gòu)，并

在不同層堆疊時使用有限的材料，仍然面臨挑戰(zhàn)。此外，利用反射鏡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光的垂直傳播

時，需要額外的空間，這會降低空間效率。因此，基于反射鏡的光學(xué)重路由在形成多層光子芯片結(jié)構(gòu)以及減小封裝體積方面存在局限性。所以，要實現(xiàn)未來的多層堆疊光子芯片，必須

研發(fā)能夠精確制造所需形狀的反射鏡制造方法，以及用于反射鏡結(jié)構(gòu)的耐用多層堆疊材料。

2.3.2 基于光子中介層的光學(xué)重路由

光子中介層的作用與包含用于電信號的重路由層（RDL）的硅中介層、玻璃中介層和有機中

介層類似，但它能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的重路由 [119,120]。在光子芯片封裝的系統(tǒng)級層面，光子

中介層負責(zé)在各種有源和無源器件之間收集、過濾、路由光信號并實現(xiàn)光信號接口 [121]。

通過將多個光子芯粒連接到單個光子中介層，有助于降低成本、減小尺寸和重量，并提高可

擴展性。在芯片級層面，帶有光子重路由層的光子中介層能夠?qū)崿F(xiàn)不同層之間的光學(xué)連接，

從而助力制造多層光子芯片。通常情況下，光子中介層與其他層之間的光學(xué)連接采用倏逝耦

合器，這就要求波導(dǎo)之間保持一定的接近距離 [122]。因此，用于垂直耦合的倏逝耦合器通

常采用兩個垂直對準的錐形結(jié)構(gòu)，這有助于實現(xiàn)緊湊型多層光子芯片。與反射鏡（在結(jié)構(gòu)形

成過程中，可能會使用聚合物來制造曲面形狀，或通過硅蝕刻來制造平面形狀）不同，利用

聚合物、氮化硅（SiN）等材料，借助現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，能夠輕松實現(xiàn)光子中介層的堆疊。

因此，采用傳統(tǒng)材料制造的光子中介層適用于實現(xiàn)多層光子芯片。此外，如圖 4b 所示，

與基于反射鏡的方法相比，基于光子中介層的光學(xué)重路由所需空間更小，僅相當于具有小間

隙的倏逝耦合器的尺寸，因此能夠?qū)崿F(xiàn)高空間效率，有助于實現(xiàn)緊湊型封裝 [114]。它也可

作為實現(xiàn)無間距互連的方法之一。然而，倏逝耦合器存在一個缺點：由于需要兩個波導(dǎo)之間

緊密接觸或嚴格控制間距，以實現(xiàn)倏逝模的重疊，因此必須采用精確的制造工藝。而且，兩

個相鄰光波導(dǎo)之間由于場重疊產(chǎn)生的串擾可能會引發(fā)意外誤差，并限制高密度集成，因此，

控制波導(dǎo)之間的間距至關(guān)重要 [123]。此外，盡管針對單層和雙層光子芯片的研究已開展較

多，但關(guān)于多層光子芯片的研究仍較為有限。因此，在芯片級封裝方面，研發(fā)能夠提升芯片

性能、實現(xiàn)芯片內(nèi)多層光學(xué)連接以及打造無間距互連的方法，對于實現(xiàn)緊湊型封裝至關(guān)重要。

元件級光子集成技術(shù)的詳細信息如表 1 所示。

3. 光子芯片封裝

3.1 單光子芯片封裝

在芯片尺度上，光子芯片封裝包含三個關(guān)鍵部分：光信號接收到光子芯片內(nèi)的輸入端口、利

用光信號進行信息傳輸、傳感、處理和發(fā)射的 PIC，以及光信號發(fā)射出去的輸出端口。單光

子芯片封裝是最基礎(chǔ)的光子芯片封裝方法，它利用光子芯片上形成的耦合器（如邊耦合器、光柵耦合器和垂直耦合器）作為輸入和輸出端口，分別實現(xiàn)光信號與光波導(dǎo)之間的接收和傳

輸 [52,57,59,65,126]。采用單光子芯片封裝方法的光子芯片，通常要么在輸入和輸出端口直

接連接光纖陣列，要么通過對準光路和耦合器位置實現(xiàn)間接連接。

在直接連接方式中，會使用六自由度自動對準系統(tǒng)等精密對準系統(tǒng)，將輸入和輸出端口與光

纖陣列對準 [127]。隨后，采用光學(xué)紫外環(huán)氧樹脂作為粘合劑，將光纖陣列與每個端口連接

起來。這種方法的優(yōu)勢在于連接過程簡單，且能實現(xiàn)穩(wěn)定的光學(xué)耦合，但缺點是需要分辨率

達幾十納米的昂貴設(shè)備來對準光路和耦合器位置。此外，一旦連接完成，光子芯片便難以拆

卸，這限制了其在其他應(yīng)用中的復(fù)用性。

在間接連接方式中，通過 D 形反射鏡調(diào)整經(jīng)透鏡聚焦后的激光束，使其與輸入端口對準

[128]。光信號經(jīng)過光波導(dǎo)后，從輸出端口發(fā)射出來，再通過透鏡進行收集和準直。這種自

由空間注入方法與直接連接方法相比，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，并且同一芯片可實現(xiàn)多種應(yīng)用。

但該方法存在光路對準困難的問題，無法保證穩(wěn)定的光學(xué)連接，即使受到輕微振動或外部沖

擊，也可能影響其性能。因此，自由空間注入方法不適用于需要在各種環(huán)境下穩(wěn)定工作的實

際應(yīng)用場景。

基于直接/間接連接方法的單光子芯片封裝方法，提供了最簡單的器件集成技術(shù)。因此，該

方法不僅便于驗證光子芯片的性能或制作光子器件樣機，對于光子超聲傳感器、光子生物傳

感器 [129]、光子氣體傳感器 [130] 等可通過單個芯片實現(xiàn)功能的器件而言，通過連接輸入

和輸出端口，采用這種封裝方法就能實現(xiàn)器件的應(yīng)用，使得單一功能器件的集成和使用變得

簡便。此外，采用這種封裝方式的光子芯片，還可作為多芯片集成器件中芯片之間的中間橋

梁。因此，它們可用作光子處理器，實現(xiàn)光子張量核、光子開關(guān)、光子濾波器、調(diào)制器、廣

播連接和多播連接等功能 [55,66]。例如，單光子芯片封裝可應(yīng)用于可編程量子信息處理光

子芯片，如圖 5a 所示。圖 5a 展示了采用單光子芯片封裝的光子芯片示意圖，對于驗證可

編程量子信息處理光子芯片的性能而言，單光子芯片封裝是最便捷的封裝方法 [124]。在該

芯片中，通過半導(dǎo)體工藝在光子芯片上制造的光柵耦合器被用作輸入/輸出端口。這些端口

與光纖陣列連接，以接收芯片外的光源，并發(fā)射經(jīng)過光子芯片處理后的光。因此，采用單光

子芯片封裝的光子芯片，其可調(diào)諧激光器和光電探測器 PD 位于芯片外部，分別為芯片工作

提供所需的光，并將每個光信號轉(zhuǎn)換為電信號。由此可見，與其他封裝方法相比，采用單光

子芯片封裝的光子芯片制造工藝更為簡單，因為它只需完成光波導(dǎo)的制造流程，無需在光子

芯片上制作激光器或光電探測器。

3.2 集成光電探測器的封裝

集成光電探測器 PD 的封裝技術(shù)，是在光子芯片上同時制造光路和光電探測器 [131]。在該

技術(shù)方案中，光電探測器通過光子芯片的輸入端口接收來自芯片外部激光源的光信號，經(jīng)過

光波導(dǎo)傳輸?shù)墓庑盘栯S后被傳送至芯片上的光電探測器，在此過程中光信號轉(zhuǎn)化為電流。該

電流會進一步通過跨阻放大器 TIA 轉(zhuǎn)換并放大為電壓后輸出。由于傳輸光信號的光波導(dǎo)與吸

收光信號的光電探測器并非由同種材料構(gòu)成，因此要實現(xiàn)二者的集成，就必須采用異質(zhì)集成

技術(shù)，將基于吸收性塊狀材料的光電探測器（如鍺光電探測器 [18,132]、III-V 族光電探測

器 [133,134]、范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器 [58,72]、超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPDs）[135]

以及平衡光電探測器 [125]）與光波導(dǎo)集成在一起。所以，要將光波導(dǎo)與光電探測器集成到

同一襯底上，需要復(fù)雜的額外工藝和專門設(shè)計。

以鍺光電探測器（圖 6a）為例，它是一種常見且傳統(tǒng)的光電探測器，其優(yōu)勢在于與主流硅

光子平臺具有兼容性 [136,137]。但該探測器也存在一些問題，與其他類型的光電探測器相

比，其帶寬較低，且暗電流相對較高，這使得它的信噪比偏低。此外，鍺屬于間接帶隙材料，

這一特性使其難以實現(xiàn)高效發(fā)光。目前，最先進的高速鍺光電探測器帶寬可超過 260GHz，

但由于鍺材料本身的特性以及較高的暗電流，這類探測器仍面臨不少挑戰(zhàn) [138]。而且，為

了縮短光生載流子的渡越時間，需要將鍺制成窄鰭形結(jié)構(gòu)，這就要求對光刻掩模進行精確調(diào)

整和高精度疊加，進而導(dǎo)致制造成本上升且制造工藝變得復(fù)雜。另外，在制作窄鰭形鍺結(jié)構(gòu)

時，通常需要通過干法蝕刻工藝去除大量材料，造成了明顯的材料浪費。由此可見，盡管基

于鍺光電探測器的集成封裝技術(shù)，借助現(xiàn)有的硅光子平臺能夠?qū)崿F(xiàn)光波導(dǎo)與光電探測器之間

相對簡便的集成，但在降低暗電流和制造成本方面，仍有亟待解決的問題。

III-V 族光電探測器（圖 6b）由磷化銦（InP）[133]、砷化鎵（GaAs）[134] 等 III-V 族半

導(dǎo)體材料制成，這些材料也可用于制造激光器。例如，在硅平臺上采用磷化銦薄膜，能夠較

為容易地將激光器和光電探測器集成到單個芯片上，未來有望發(fā)展成為一種全集成封裝技術(shù)，

即把激光器、光電探測器和光波導(dǎo)都集成在同一襯底上 [63]。然而，當在襯底上直接生長

III-V 族半導(dǎo)體時，由于襯底與半導(dǎo)體之間的異質(zhì)界面存在材料特性差異（如晶格失配和熱

膨脹系數(shù)失配），會產(chǎn)生裂紋、位錯和翹曲等問題 [139,140]。這些缺陷會導(dǎo)致元件性能下降，

并且顯著降低工藝良率。為解決這一問題，研究人員提出了多種方法，如利用緩沖層和缺陷

阻擋層逐步過濾缺陷、通過從（111）晶面的溝槽進行介導(dǎo)生長、對材料進行位錯選擇性電

化學(xué)深度蝕刻后再進行熱退火，以及采用晶圓鍵合技術(shù)替代直接生長方法等，以此制造高質(zhì)

量的器件 [141,142]。但這些方法工藝復(fù)雜且制造成本高，在將光電探測器與光波導(dǎo)集成時

面臨較大挑戰(zhàn)。

范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器利用石墨烯 [143]（圖 6c）、氮化硼 [144]、過渡金屬硫族化合物

[145,146]、黑磷（BP）[147] 等二維材料的光吸收特性，具有較高的響應(yīng)度。這些二維材料

不存在表面懸鍵，因此在異質(zhì)界面處不會受到晶格失配的限制 [148]。借助這一特性，可將

不同的二維材料堆疊形成范德華異質(zhì)結(jié)，從而實現(xiàn)對光電探測器光電子特性的設(shè)計。例如，MoTe?- 石墨烯異質(zhì)結(jié)光電探測器由 MoTe?和石墨烯這兩種不同的二維材料組成。MoTe?

本身具有較強的光-物質(zhì)相互作用，但其直接帶間躍遷能量處于硅的吸收波段內(nèi)，這使得將

其集成到硅基平臺中面臨困難 [149]。此外，MoTe?的載流子遷移率較低，載流子壽命較長，

這限制了其速度性能 [150]。與之相反，石墨烯具有極高的載流子遷移率，但本身的光敏性

較弱 [151,152]。通過將這兩種材料堆疊形成范德華結(jié)構(gòu)，MoTe?-石墨烯異質(zhì)結(jié)光電探測器

能夠克服各自材料的缺陷，進而展現(xiàn)出快速響應(yīng)和高靈敏度的特性 [72]。同樣，MoTe?-黑

磷異質(zhì)結(jié)光電探測器是通過將本征為 n 型摻雜、帶隙較窄且易氧化的 MoTe?，與本征為 p

型摻雜的黑磷堆疊形成范德華結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)同樣克服了兩種材料各自的缺陷，展現(xiàn)出寬光

譜范圍、低暗電流、高響應(yīng)度和快速響應(yīng)的特性 [58]。盡管基于范德華異質(zhì)結(jié)光電探測器

的集成封裝技術(shù)具有可利用高性能光電探測器的優(yōu)勢，但為實現(xiàn)材料堆疊而對二維材料進行

機械剝離和干法轉(zhuǎn)移的工藝，在大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用中存在局限性。要解決這一問題，還需進一

步改進工藝，提高工藝的成熟度。

超導(dǎo)納米線單光子探測器（圖 6d）用于探測單光子，具有探測效率高、探測帶寬寬、信噪

比高、恢復(fù)時間快以及時間不確定性低等特點 [53]。其特別值得關(guān)注的優(yōu)勢包括與現(xiàn)有 PIC

材料平臺的兼容性，以及在波導(dǎo)上的卓越性能。然而，超導(dǎo)納米線單光子探測器在光子數(shù)分

辨方面存在固有的局限性?；诔瑢?dǎo)納米線單光子探測器的集成封裝技術(shù)，具有可利用現(xiàn)有

PIC 平臺的優(yōu)勢。但要沉積超導(dǎo)薄膜，需要使用原子層沉積或反應(yīng)共濺射系統(tǒng)等昂貴設(shè)備

[153]。此外，由于超導(dǎo)薄膜容易氧化，必須快速形成保護層以防止其氧化 [154]。

平衡光電探測器采用兩個光電探測器和一個跨阻放大器，最終輸出光功率的差值，如圖 5b

所示。基于平衡探測器的集成封裝適用于光子處理器等需要獲取兩個光功率差值的應(yīng)用場景[125]。從封裝角度來看，要提升器件性能，需要采取方法降低跨阻放大器的熱噪聲，并且

優(yōu)化平衡光電探測器、跨阻放大器的設(shè)計以及光電探測器與跨阻放大器之間的引線鍵合長度，

以減少鏈路損耗 [125,155]。迄今為止，光電探測器與跨阻放大器芯片之間的連接通常是通

過引線鍵合實現(xiàn)的。但采用倒裝芯片鍵合、硅通孔（TSV）和重路由層（RDL）等先進封裝

技術(shù)，能夠在設(shè)計和性能方面帶來額外的提升。由此可見，集成光電探測器的封裝技術(shù)是一

種將光電探測器集成到光波導(dǎo)的封裝方法，這與單光子芯片封裝技術(shù)不同，后者是通過連接

芯片外部的商用光電探測器和光波導(dǎo)來獲取輸出。這種集成方法能夠?qū)⒐怆娞綔y器直接集成

到光波導(dǎo)中，減少了連接過程中可能產(chǎn)生的損耗。但要實現(xiàn)最佳性能，還需要進一步改進相

關(guān)工藝。

3.3 激光器的集成封裝

集成激光器的封裝技術(shù)是將光波導(dǎo)和芯片上激光器集成到同一襯底上。在該技術(shù)中，激光器

為光波導(dǎo)提供光信號，經(jīng)過光波導(dǎo)傳輸?shù)墓庑盘柾ㄟ^輸出端口發(fā)射出去。這種封裝技術(shù)中使

用的激光器包括分布反饋（DFB）激光器 [31,156]、法珀（Fabry-Perot）激光器 [157]、分

布布拉格反射（DBR）激光器 [158]、光子晶體激光器 [159]、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）

[160]、量子點激光器 [161,162]、量子阱（QW）激光器 [163] 以及外腔激光器 [164] 等，

其中大部分激光器由 IV 族材料（如鍺）和 III-V 族半導(dǎo)體材料（如磷化銦、砷化銦、砷化

鋁和砷化鎵）制成。然而，因為 IV 族屬于間接帶隙材料，基于 IV 族的激光器性能相對較

低，因此近年來，人們的注意力主要集中在高效的 III-V 族激光器上 [165]。

在這種封裝技術(shù)中，光波導(dǎo)和激光器都制造在同一襯底上，采用混合集成方法連接。

由于商用激光器并非為特定光波導(dǎo)定制設(shè)計，因此混合集成需要通過邊耦合、垂直耦合或光

子引線鍵合（PWB）等方式，將激光二極管的輸出端與光波導(dǎo)的輸入端連接起來。這種封裝

方法需要專門設(shè)計一個考慮激光二極管和光波導(dǎo)形狀的子基座，并采用基于導(dǎo)電粘合劑的鍵

合或倒裝芯片鍵合 [166] 等方法，將激光二極管固定在該子基座上。邊耦合是混合激光集

成中最簡單、最基礎(chǔ)的光學(xué)互連方法，可通過使用光學(xué)粘合劑將激光二極管的輸出端直接粘

貼到光波導(dǎo)的輸入端來實現(xiàn)，也可在不使用額外粘合劑的情況下，通過對準激光二極管輸出

端和光波導(dǎo)輸入端的位置來實現(xiàn)。采用光學(xué)粘合劑將激光二極管和光波導(dǎo)物理粘貼在一起的

方式，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)固的連接，但需要使用昂貴且精密的對準設(shè)備，而且粘合劑材料可能會因

環(huán)境變化或物理沖擊而損壞。相反，通過對準激光二極管輸出端和光波導(dǎo)輸入端位置來實現(xiàn)

連接的方式更為簡單，因為不需要額外的粘貼材料，但這種連接方式屬于間接連接，對振動

和物理沖擊等外部因素較為敏感。此外，為了最大限度地減少光學(xué)損耗，必須精心設(shè)計襯底

上的子基座結(jié)構(gòu)。

垂直耦合是將垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）發(fā)出的光引導(dǎo)至波導(dǎo)輸入端形成的光柵耦合器

上，從而實現(xiàn)光信號向光波導(dǎo)的傳輸。然而，傳統(tǒng)的光柵耦合器無法完全捕獲垂直方向入射

的光，會產(chǎn)生反向反射效應(yīng)，即零級衍射光會反射回入射路徑，這不僅降低了耦合效率，還

會導(dǎo)致光-電流曲線出現(xiàn)波動和拐點，并且限制了激光器在高偏置電流下的工作 [167]。為

解決這一問題，研究人員提出了多種方法，如將垂直腔面發(fā)射激光器以傾斜角度安裝以調(diào)整

入射角 [168]，以及采用傾斜光柵耦合器 [167] 等。但將垂直腔面發(fā)射激光器以傾斜角度安

裝存在一定挑戰(zhàn)，因為激光器與光柵耦合器之間的距離會增加，導(dǎo)致光發(fā)散，進而降低耦合

效率。此外，要將垂直腔面發(fā)射激光器精確固定在預(yù)定位置難度較大，而且傾斜光柵耦合器

的制造工藝復(fù)雜，要實現(xiàn)實際應(yīng)用還需進一步改進。光子引線是一種混合集成方法，它克服了邊耦合和垂直耦合的缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的工藝操

作，并且在面對外部環(huán)境因素時具有穩(wěn)定的光學(xué)連接性能（圖 5c）。借助現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備，

該方法能夠精確且快速地原位制造 3D 自由形態(tài)聚合物波導(dǎo)（PWGs），從而確保較高的穩(wěn)

定性和耦合效率 [88,169]。但該方法也存在一個缺點，即需要使用能夠進行雙光子光刻工藝

的昂貴設(shè)備。

直接集成方法包含兩種方案：一種是單片集成 [170-172]，即直接在波導(dǎo)上沉積增益介質(zhì)以

形成激光器；另一種是異質(zhì)集成 [42,173,174]，即先在不同襯底上形成增益介質(zhì)，然后將其

轉(zhuǎn)移到波導(dǎo)上。單片集成是在硅波導(dǎo)（SiWGs）上直接進行 III-V 族材料的異質(zhì)外延生長，

該方法具有成本低、可擴展性高的特點，未來有望實現(xiàn)全集成封裝。

然而，這種方法面臨的一個重大挑戰(zhàn)是硅和 III-V 族半導(dǎo)體之間存在極性不匹配的問題，這

會導(dǎo)致反相邊界的形成；同時，熱膨脹系數(shù)失配會引發(fā)失配位錯，兩種材料之間的晶格失配

還會產(chǎn)生大量的穿通位錯 [175]。為了緩解這些與缺陷相關(guān)的問題，實現(xiàn)低缺陷密度和高性

能的單片集成激光器封裝，研究人員提出了多種方法，如應(yīng)變層超晶格、熱循環(huán)退火以及組

分漸變緩沖層等 [176,177]。但通過增加緩沖層厚度來降低缺陷密度，會導(dǎo)致波導(dǎo)與激光器

之間的耦合效率降低，而且缺陷密度降低的效果會因 III-V 族材料的類型而異，這限制了該

方法在特定材料上的應(yīng)用。此外，這些方法大多僅能解決極性、熱膨脹系數(shù)或晶格失配中的

某一個問題，并且需要復(fù)雜且費力的工藝，因此還需要進一步改進。

異質(zhì)集成技術(shù)的提出，旨在解決直接生長方法中遇到的材料失配問題 [178]。該技術(shù)是在不

存在失配問題的襯底上生長增益介質(zhì)，然后通過鍵合 [179,180] 或轉(zhuǎn)移 [181] 等方式將其

與波導(dǎo)集成。盡管從長期來看，與單片集成相比，該方法在減小體積和提高集成密度方面存

在局限性，但由于能夠利用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的設(shè)備，具有工藝成本低、器件質(zhì)量高的優(yōu)勢，

目前已進入商業(yè)化階段。

由此可見，集成激光器的封裝技術(shù)是將芯片上激光器與光波導(dǎo)集成在一起的技術(shù)，這與單光

子芯片封裝技術(shù)不同，后者是通過連接芯片外部的商用激光器和光波導(dǎo)來傳輸光信號。這種

集成方法減少了互連過程中可能產(chǎn)生的損耗，并且通過直接集成激光器，提高了集成密度和

能量效率。然而，在集成激光器的封裝技術(shù)中，混合集成方法與直接集成方法相比，空間效

率較低，因為激光器會占據(jù)大量空間。這就需要設(shè)計單獨的子基座，并且對器件的微型化造

成了限制。此外，為了克服現(xiàn)有集成激光器封裝技術(shù)的局限性，實現(xiàn)工藝成本的大幅降低、

集成密度的提高和器件的微型化，需要進一步發(fā)展單片激光集成方法，以解決材料特性帶來

的挑戰(zhàn)。

3.4 全集成封裝

全集成封裝技術(shù)是將光波導(dǎo)、芯片上激光器和芯片上光電探測器集成到同一襯底上 [64,182]。

根據(jù)所采用的激光集成方法（即混合、異質(zhì)和單片激光集成方法）的不同，在光子芯片的幾

何結(jié)構(gòu)、組成材料和制造工藝方面存在差異。

采用混合集成方法的全集成封裝技術(shù)依賴商用激光二極管，這不可避免地導(dǎo)致封裝后的光子

芯片尺寸較大，從而限制了器件的微型化（圖 5d）。此外，為了確保穩(wěn)定的光學(xué)互連，還

需要進行額外的工藝操作，如考慮元件幾何形狀的子基座設(shè)計、對接耦合以及光子引線鍵合等。

與之相反，采用異質(zhì)集成方法的全集成封裝技術(shù)，是先在不同的襯底上沉積芯片上激光器，

然后將其與光波導(dǎo)鍵合在一起，如圖 5e 所示 [30]。這種方法會導(dǎo)致工藝復(fù)雜度和成本增

加。但與混合集成方法相比，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)更小尺寸的器件，在調(diào)整激光器尺寸和組成材

料等設(shè)計要素方面具有優(yōu)勢。盡管具備這些優(yōu)點，但采用異質(zhì)集成方法的全集成封裝技術(shù)在

轉(zhuǎn)移工藝方面面臨挑戰(zhàn)，而且隨著轉(zhuǎn)移工藝復(fù)雜度的增加，器件微型化的難度也會相應(yīng)提高。

然而，在現(xiàn)有的集成方法中，采用單片集成方法的全集成封裝技術(shù)是實現(xiàn)光子芯片微型化的

最佳選擇 [69,183,184]。這種封裝技術(shù)能夠在同一襯底上同時制造芯片上激光器和光電探測

器，所使用的材料為 III-V 族材料（如磷化銦、砷化銦、砷化鋁和砷化鎵）。這種一體化的

方法有助于降低成本、簡化制造工藝、減少材料浪費、實現(xiàn)光子芯片的微型化，并提高器件

的效率。但由于鍵合界面處異質(zhì)材料的機械特性存在差異，該技術(shù)仍面臨挑戰(zhàn)，難以實現(xiàn)穩(wěn)

定的光子芯片制造。

由此可見，全集成封裝技術(shù)將激光產(chǎn)生、光子信號調(diào)制和光電探測功能集成到單個光子芯片

內(nèi)的獨立器件中。因此，全集成封裝技術(shù)無需外部光源、測量設(shè)備和連接元件，有效減少了

插入損耗和耦合損耗等光學(xué)損耗，并且避免了材料的過度使用。但全集成封裝技術(shù)也受到激

光器和光電探測器集成封裝過程中所面臨挑戰(zhàn)的限制，例如異質(zhì)材料之間機械特性差異導(dǎo)致

的缺陷、因緩沖層過厚而產(chǎn)生的低耦合效率，以及需要復(fù)雜且費力的工藝等。要使全集成封

裝技術(shù)成為未來的光子芯片封裝方法，就必須研發(fā)能夠解決異質(zhì)材料機械特性差異所導(dǎo)致缺

陷的新型封裝方法，并且克服單片集成中一直存在的問題。

4. 光-電共封裝

4.1 單片共封裝

傳統(tǒng)上，由于光子在 PICs 中不會發(fā)生相互作用，且 PIC 具備快速傳輸特性，因此常被用于

傳輸經(jīng)電芯片處理后的數(shù)據(jù) [185]。然而，近年來，隨著光氣體傳感器 [186]、光生物傳感

器 [187]、神經(jīng)形態(tài)器件 [188] 及光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) [189] 等各類光器件的不斷發(fā)展，一種新的應(yīng)

用模式日益普遍：將 PIC 處理后的數(shù)據(jù)通過 EIC 轉(zhuǎn)換為電信號，完成采集后再反饋給 PIC。

這是因為 EIC 中的電子具有相互作用和相互排斥的特性，使其非常適合用作開關(guān)；同時，EIC

中現(xiàn)有的讀取、信號處理和控制基礎(chǔ)設(shè)施已十分成熟，易于直接應(yīng)用。

由此可見，PIC 與 EIC 具有互補性，常搭配使用。當 PIC 作為核心功能芯片時，EIC 往往會

隨之配套應(yīng)用，我們將這兩種芯片集成形成單一器件的技術(shù)，被稱為光電共封。具體來說，

光電共封技術(shù)通過將光子元件與電子元件集成到單個器件中，將內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸方式從電傳輸

轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈧鬏?，旨在突破傳統(tǒng) EIC 封裝在帶寬瓶頸、可擴展性弱、功耗高及信號損耗嚴重等

缺陷[355]。因此，該技術(shù)有望解決數(shù)據(jù)中心、人工智能加速器等對超高速通信、高能效、

寬帶寬及高可擴展性有迫切需求的應(yīng)用場景中長期存在的難題。根據(jù)集成方式的不同，這種

封裝技術(shù)可分為單片共封裝 [13,190]、2D 共封裝 [191,192]、2.5D 共封裝 [105,193] 和 3D

共封裝 [119,194] 等類型。

單片共封技術(shù)借助最先進的工藝技術(shù)，在單個芯片內(nèi)同時實現(xiàn) PIC 和 EIC 各自的功能[195-197]。由于所有元件都在同一平臺上制造，無需為每種元件配備單獨的制造設(shè)備；而

且，通常用于連接 PIC 與 EIC 的凸點、焊料、焊盤等互連元件也不再需要，這不僅最大限度

地減少了電損耗、寄生電流和阻抗失配問題，還簡化了封裝流程 [188,198]。但單片共封技

術(shù)的技術(shù)開發(fā)復(fù)雜度極高，因為需要在單一平臺上同時設(shè)計和制造 EIC 與 PIC，導(dǎo)致技術(shù)靈

活性低且制造成本高昂。

如圖 7a 所示，單片共封器件在單個襯底上同時集成了光子元件（如條形波導(dǎo)、光柵耦合器、

有源光子器件等）和電子元件（如晶體管等）[13]。這種單片共封裝的實現(xiàn)依賴于 CMOS 技

術(shù)，該技術(shù)是制造中 CPU、GPU、存儲器和閃存等微電子芯片的主要制造工藝平臺 [199-202]。

該封裝技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)是，傳統(tǒng) CMOS 工藝中可用于 PIC 的、具備合適光學(xué)特性的材料十

分有限。迄今為止，大多數(shù)單片共封器件都采用 SOI 襯底 [109]。但由于 SOI 襯底的制造

工藝復(fù)雜，成本極高，且面向大容量市場的供應(yīng)鏈有限，這對基于 SOI 襯底的單片共封器

件的規(guī)模生產(chǎn)造成了限制 [203]。

為此，研究人員嘗試了多種方案來實現(xiàn)單片共封裝，例如在玻璃襯底上沉積非晶硅、多晶硅、

聚合物等多種材料。然而，異質(zhì)材料特性差異導(dǎo)致的缺陷問題尚未得到徹底解決，而且

CMOS 技術(shù)與光子平臺集成的有效性也未得到充分驗證，仍需進一步研究和驗證。此外，

鰭式場效應(yīng)晶體管等最新的基于 CMOS 的半導(dǎo)體技術(shù)，其制造設(shè)備的最小分辨率要求達到

≤10nm [204]；但迄今為止，已報道的單片共封技術(shù)所使用制造設(shè)備的最小分辨率約為 45

nm [205]。因此，通過單片共封技術(shù)制造的晶體管，在縮放過程中會出現(xiàn)性能下降和功耗增

加的問題，與傳統(tǒng)基于 CMOS 的晶體管相比存在差距。而且，即使嘗試在絕緣體上硅的晶

體硅層厚度小于 20 nm 時減小最小特征尺寸，也無法充分約束光以實現(xiàn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，這使得

利用現(xiàn)有技術(shù)減小特征尺寸面臨局限。因此，單片共封技術(shù)需要進一步發(fā)展，以在減小最小

特征尺寸的同時，實現(xiàn)與傳統(tǒng) EIC 相當或更優(yōu)的性能。

4.2 2D 共封裝

2D 共封技術(shù)是將具有不同功能的 PIC 和 EIC 并排貼裝在印刷電路板（PCB）等襯底上，通過

引線鍵合或倒裝芯片鍵合的方式實現(xiàn)二者的連接 [205,206]。圖 7b 展示了采用引線鍵合技

術(shù)連接 EIC 和 PIC 的 2D 共封器件示意圖 [191,192]。在這種技術(shù)方案中，經(jīng)過 PIC 傳輸?shù)墓?/p>

被引導(dǎo)至光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，與光電探測器鍵合的電線則將電信號傳輸至 EIC，以完

成數(shù)字信號處理工作。

這種封裝技術(shù)的優(yōu)勢在于，借助引線鍵合和倒裝芯片鍵合能夠輕松實現(xiàn)互連。但它無法保證

連接的穩(wěn)定性，因為外部沖擊、溫度驟變等外部因素很容易導(dǎo)致鍵合部件脫落。此外，這種

機械不穩(wěn)定性還會影響接觸電阻，進而降低測量值的可靠性。另外，依賴電線或倒裝芯片實

現(xiàn)互連的 2D 共封裝方法，可能會在 PIC 與 EIC 之間產(chǎn)生寄生電感和寄生電容 [207,208]。

這些問題會從根本上限制封裝元件的噪聲性能和帶寬，在連續(xù)變量量子密鑰分發(fā)（QKD）

[209]、離散變量量子密鑰分發(fā) [210]、量子隨機數(shù)生成 [211]、量子層析成像 [212] 等量子

光子學(xué)應(yīng)用中，這種限制會表現(xiàn)得尤為突出。

例如，量子密鑰分發(fā)技術(shù)需要采用平衡零差光電探測器來測量量子特征等微弱信號差異

[191]，平衡零差光電探測器由兩個零差光電探測器和一個跨阻放大器組成。整個系統(tǒng)的速

度取決于商用跨阻放大器等電子器件的帶寬，這些設(shè)備用于低噪聲放大微弱信號。因此，即

便使用高帶寬的光學(xué)器件，零差光電探測器的探測速度及整個系統(tǒng)的速度仍會受到限制。具

體來說，用于基于散粒噪聲的光子學(xué)應(yīng)用（僅測量真空和激光）的共封器件，其帶寬據(jù)報道

無法超過 150 MHz，遠低于傳統(tǒng)器件通常 1GHz 的帶寬[103]。此外，商用跨阻放大器在設(shè)

計時通常未考慮超低噪聲性能，因為實現(xiàn)超低噪聲性能對提高數(shù)字通信系統(tǒng)的誤碼率并無顯

著幫助 [213]。但在量子密鑰分發(fā)等量子光子學(xué)應(yīng)用中，電子噪聲必須遠低于散粒噪聲，因

此，必須研發(fā)超低噪聲跨阻放大器，以減少散粒噪聲消除的限制因素—寄生電容。因此，針

對 2D 共封方法在連接 PIC 與 EIC 時面臨的挑戰(zhàn)，如如何緩解機械不穩(wěn)定性、降低寄生電容

并提高帶寬等，仍需進一步研究以找到解決方案。

4.3 2.5D 共封裝

2.5D 共封技術(shù)通過包含硅通孔 TSV、重路由層 RDL 和光學(xué)耦合器的中介層，實現(xiàn) PIC 與 EIC

的連接，同時支持各個芯片與印刷電路板之間的電連接和光連接（圖 7c）[214]。這種封裝技術(shù)需要三步組裝流程：第一步，將芯片與中介層連接；第二步，將中介層與印刷電路板連

接；第三步，將光纖陣列與中介層貼裝。

在將 EIC 和 PIC 倒裝芯片鍵合到中介層后，通過回流工藝將這種芯片-中介層組件貼裝到 PCB

上，形成三層封裝結(jié)構(gòu)。隨后，采用邊耦合的方式將光纖陣列貼裝到中介層上，建立光連接。

但這種封裝技術(shù)在芯片-中介層連接和中介層-PCB 連接中，需要使用不同的焊料材料。此外，

為解決多層結(jié)構(gòu)中因熱膨脹系數(shù)失配等機械特性差異導(dǎo)致的翹曲等固有問題，必須開發(fā)穩(wěn)定

的分層焊接工藝 [215]。而且，為確保器件的可靠性和穩(wěn)定性，需要進行復(fù)雜且嚴格的設(shè)計，

例如考慮互連元件之間的阻抗匹配、制定串擾抑制策略等 [216]。

另外，在中介層上實現(xiàn)光連接時，通常采用邊耦合方式將光纖貼裝到中介層上，而邊耦合中

使用的環(huán)氧粘合劑存在機械不穩(wěn)定性，會導(dǎo)致耐久性和可靠性問題。此外，要實現(xiàn)高耦合效

率，需要進行精確、精細的對準，因此，目前已采用基于機器視覺的封裝設(shè)備來實現(xiàn)高耦合

效率的光連接 [193]。但這種方法在觀察單個光纖時存在局限性，且不適用于大規(guī)模生產(chǎn)或

更小尺寸的連接，因此需要開發(fā)新的封裝工藝方法來克服這些局限。

與單片共封裝和 3D 共封技術(shù)相比，這種封裝技術(shù)中 PIC 與 EIC 之間的連接路徑更長，這會

產(chǎn)生寄生效應(yīng)，進而導(dǎo)致電損耗。不過，通過調(diào)整中介層的設(shè)計可以減少寄生效應(yīng)，同時采

用高阻硅、低溫共燒陶瓷、玻璃基中介層等低損耗材料，能夠緩解電損耗問題。特別是玻璃

中介層，具有光學(xué)透明、可通過材料選擇定制熱膨脹系數(shù)及低介電損耗等特性 [217]。這些

特性近年來受到廣泛關(guān)注，因為它們有助于降低機械不穩(wěn)定性，在提高耐久性和可靠性的同

時實現(xiàn)高性能。

在光子器件方面，由于可在玻璃材料上制造光學(xué)元件，因此在玻璃材料上制造光學(xué)元件能夠

利用單一玻璃中介層同時實現(xiàn)光連接和電連接。此外，玻璃中介層還具有支持面板級封裝的

優(yōu)勢，這能顯著降低封裝和組裝工藝的成本。但由于玻璃的熱導(dǎo)率較低，需要額外的元件來

解決熱管理問題。此外，在 2.5D 共封裝中融入嵌入式多芯片互連橋 EMIB 或硅橋等互連技

術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度互連，從而提高互連效率。

特別是，與其他共封裝方法相比，2.5D 共封裝在可擴展性和靈活性方面具有顯著優(yōu)勢，便

于實現(xiàn)各類 PIC 和 EIC 芯片的組裝。借助光通信速度快、不受距離限制的特性，有助于實現(xiàn)

高傳輸速度和高能效。此外，如圖 7d 所示，在數(shù)據(jù)中心應(yīng)用中采用光電 2.5D 共封技術(shù)，

有望實現(xiàn)未來數(shù)據(jù)中心建設(shè)中最關(guān)鍵的連接特性，包括高帶寬、低能耗和低延遲 [105]。

4.4 3D 共封裝

3D 共封技術(shù)實現(xiàn)了單個 PIC 與 EIC 的異質(zhì)集成，與傳統(tǒng)封裝方法相比，具有更高的密度、

更優(yōu)的性能和更低的功耗 [218-221]。近年來，3D 共封器件的研究取得了顯著進展，已實

現(xiàn)高達 224 Gb/s 的高速數(shù)據(jù)傳輸，且功耗可降至每比特幾皮焦耳以下 [222]。

通常，3D 共封技術(shù)是將 EIC 堆疊在 PIC 上方，利用 PIC 頂面上形成的凸點、硅通孔和重路

由層，實現(xiàn) EIC 與 PIC 之間的電連接 [194]。因此，3D 共封器件的電性能取決于硅通孔和重

路由層所實現(xiàn)的電互連質(zhì)量和性能。所以，要提高 3D 共封器件的性能和可靠性，需要研

發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗硅通孔和重路由層的技術(shù)。直接鍵合互連 DBI 是 3D 共封中用于實現(xiàn) 3D 互連的先進技術(shù)，可在低溫下完成鍵合

[194,223]。這種方法能夠在室溫下實現(xiàn)電介質(zhì)鍵合，在約 400°C 以下的相對低溫下實現(xiàn)金

屬鍵合，可實現(xiàn)直徑 0.25-15μm、間距 0.5-40μm 的焊盤的牢固鍵合。而且，低溫鍵合可

避免損壞后端金屬互連，并減少襯底去除過程中由內(nèi)應(yīng)力引起的分層和變形問題。此外，通

常在 150-400°C 范圍內(nèi)進行的低溫退火工藝，能夠確保高質(zhì)量的鍵合界面，從而使通過直

接鍵合互連形成的所有金屬 - 金屬連接都具備優(yōu)異的電性能和可靠性。

這種基于堆疊的封裝技術(shù)能夠大幅縮短互連路徑長度，從而最大限度地減少功耗、寄生效應(yīng)

和電損耗 [224]。但隨著 EIC 與 PIC 之間距離的縮短，EIC 工作時產(chǎn)生的熱量可能會傳遞到

PIC 元件上，對環(huán)形諧振器等對溫度敏感的元件產(chǎn)生影響，導(dǎo)致波長偏移等意外情況，進而

可能影響輸出數(shù)據(jù)的可靠性 [225]。因此，在這種情況下，需要建立熱管理系統(tǒng)以維持器件

溫度的穩(wěn)定。此外，與其他異質(zhì)鍵合封裝方法類似，3D 共封裝的多層結(jié)構(gòu)仍面臨挑戰(zhàn)，例

如材料特性差異可能導(dǎo)致開裂、失效、翹曲等問題。

目前，先進的 3D 共封技術(shù)已得到開發(fā)，能夠?qū)?EIC 堆疊在多層 PIC 上方，超越了傳統(tǒng)的單

層 PIC 與 EIC 堆疊的封裝形式 [119]。近年來，電子行業(yè)通過采用異質(zhì)集成層提高電路密度

和功能，推動了 3D 集成技術(shù)的發(fā)展 [226]。同樣，通過 3D 集成技術(shù)，光子芯片也能實現(xiàn)

更高的電路密度和更豐富的功能，從而助力研發(fā)復(fù)雜、高性能的光子器件。

傳統(tǒng)上，EIC 通過硅通孔和重路由層實現(xiàn)層間互連以傳輸電信號，但 PIC 的層間連接一直是

個難題。為解決這一挑戰(zhàn)，在 PIC 的層間連接中，采用了反射鏡、光柵耦合器、垂直耦合器

等結(jié)構(gòu) [421]。特別是光子重路由層，能夠?qū)崿F(xiàn)多個重疊但相互分離的光子功能層，這在以

往的異質(zhì)堆疊器件中是無法實現(xiàn)的。此外，利用光子重路由層，能夠為復(fù)雜的片上光學(xué)系統(tǒng)

提供設(shè)計空間，而不受平面工藝不兼容和性能下降的限制。而且，3D 集成技術(shù)突破了不同

波導(dǎo)平臺之間的密度不匹配問題，并通過利用垂直空間提高了器件的可擴展性。但 3D 共

封裝仍面臨設(shè)計和組裝工藝復(fù)雜、工藝成本高，以及材料特性差異導(dǎo)致的機械變形和缺陷等

挑戰(zhàn)。因此，要實現(xiàn)穩(wěn)定、高性能的 3D 集成 PIC，并進一步推進多層 PIC - EIC 3D 共封技

術(shù)的發(fā)展，還需要在制造技術(shù)方面取得更多突破。

5. 下一代材料與封裝創(chuàng)新

近年來，為突破傳統(tǒng) PIC 的局限，鈮酸鋰、III-V 族半導(dǎo)體、二維材料等新興材料被引入光子

芯片封裝領(lǐng)域。

其中，鈮酸鋰作為一種鐵電晶體，具備高性能電光效應(yīng)、優(yōu)異的非線性光學(xué)特性、超低光學(xué)

損耗及高光學(xué)約束能力，是研發(fā)下一代超高速光子調(diào)制器的潛力材料（圖 8a）[234]。但鈮

酸鋰晶圓的制備與微結(jié)構(gòu)加工仍面臨挑戰(zhàn)，要實現(xiàn)實際應(yīng)用，還需進一步提升其制造與加工

技術(shù)水平 [235]。此外，由于鈮酸鋰屬于間接帶隙材料，無法用作激光器或光電探測器 PD，

這使得它難以在單一制造工藝中集成激光器、調(diào)制器、光電探測器等多個光學(xué)元件。

與之不同，氮化鋁、氮化鎵、磷化銦、砷化鎵等 III-V 族半導(dǎo)體屬于寬帶隙材料，因此可在

單一制造工藝中集成多個光學(xué)元件（圖 8b）[229]。不僅如此，III-V 族材料還具有高熱導(dǎo)

率、低熱光系數(shù)、高性能電光效應(yīng)及非線性光學(xué)效應(yīng)等特性，能夠應(yīng)用于電光調(diào)制、頻率梳生成、參量頻率轉(zhuǎn)換等多種 PIC 平臺，且具備長期耐久性。但該類材料與其他襯底之間存在

晶格失配、熱失配及極性失配等問題，同時制造成本較高、缺陷密度較大，要實現(xiàn)實際應(yīng)用，

仍需在技術(shù)層面進一步突破 [236]。

類似地，石墨烯、黑磷 BP、碲化鉬 MoTe?等二維材料在單層形態(tài)下具有直接帶隙，同樣可

在單一制造工藝中集成多個光學(xué)元件（圖 8c）[230]。此外，不同二維材料的機械、熱、電

子及光學(xué)特性各具獨特性與多樣性，相較于 III-V 族半導(dǎo)體，其選擇范圍更廣，因此作為

PIC 平臺，二維材料的應(yīng)用場景更為豐富。但二維材料的加工需達到原子級精度，導(dǎo)致制造

復(fù)雜度高、對準難度大、成本高昂且良率較低，要實現(xiàn)實際應(yīng)用，還需在技術(shù)上持續(xù)改進。

隨著傳統(tǒng) PIC 封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，異質(zhì)集成微移印、芯粒架構(gòu)、晶圓級光子封裝等新興封

裝方法應(yīng)運而生。微轉(zhuǎn)印技術(shù)是先在獨立的源襯底上制造微納米級器件，再借助彈性印章將

其轉(zhuǎn)移至目標襯底。例如，如圖 8d 所示 [231]，利用彈性印章從襯底拾取由二維材料或 III-V

族半導(dǎo)體制成的微納米級元件，隨后將其轉(zhuǎn)移到目標波導(dǎo)上，通過范德華力實現(xiàn)牢固附著。

該方法克服了傳統(tǒng)制造工藝的局限——傳統(tǒng)工藝需在單一襯底上直接制造此類微納米級光

子器件，流程復(fù)雜且成本高昂。但如何逐一選擇性拾取并轉(zhuǎn)移單個微納米級器件，仍是一項

極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因此亟需研發(fā)可實現(xiàn)該過程的相關(guān)技術(shù)。

芯粒封裝技術(shù)在 EIC 封裝中應(yīng)用廣泛，其流程是在不同襯底上制造各類 PIC 芯片，再將它們

混合集成到目標襯底上（圖 8e）[232]。這種方法允許各芯片通過最優(yōu)工藝進行制造，從而

突破傳統(tǒng)制造方法的限制，降低整體制造復(fù)雜度。但精確的光學(xué)對準仍是關(guān)鍵挑戰(zhàn)，需要在

對準技術(shù)方面取得進展。

同樣，晶圓級光子封裝技術(shù)也是 EIC 封裝中常用的技術(shù)之一，它通過在晶圓級完成整個制造

流程來提升效率（圖 8f）[233]。該方法借助同步制造流程，提高了生產(chǎn)效率與對準精度，

但同時也大幅增加了設(shè)計復(fù)雜度。盡管目前已有多種下一代材料與封裝方法被用于突破現(xiàn)有

PIC 器件的局限，但要實現(xiàn)實際應(yīng)用，仍需解決諸多挑戰(zhàn)。尤其是精確對準在 PIC 中至關(guān)重

要，因此該領(lǐng)域的技術(shù)突破必不可少。

6. 挑戰(zhàn)與展望

光子芯片封裝與光電共封技術(shù)有望成為數(shù)據(jù)中心 [237,238]、量子計算 [124]、高性能人工

智能半導(dǎo)體 [239,240] 等未來應(yīng)用場景的核心技術(shù)。但這些技術(shù)要實現(xiàn)實際應(yīng)用，仍需解決

一系列挑戰(zhàn)。特別是在實際應(yīng)用中，光子器件會暴露于實驗室嚴格控制條件之外的各種環(huán)境

因素中，導(dǎo)致設(shè)備可靠性下降。其中，溫度變化是影響設(shè)備可靠性的主要因素，可能引發(fā)熱

致偏移 [84,241]、熱致機械位移 [242]、耦合材料失效 [85,243] 等問題。

如前所述，光學(xué)元件對溫度較為敏感，外部溫度變化可能導(dǎo)致其輸出產(chǎn)生多種變化，這是光

子芯片出現(xiàn)誤差的主要原因之一。在這些變化中，激光功率與電流偏移、波長偏移是導(dǎo)致光

子芯片出現(xiàn)非預(yù)期誤差的主要現(xiàn)象。激光功率與電流偏移指的是激光性能隨溫度變化而改變

的現(xiàn)象；波長偏移則是指光子元件的有效折射率隨溫度變化而變化的現(xiàn)象。圖 9a、b 展示

了分布布拉格反射器（DBR）激光器的輸出隨溫度變化的情況 [244]。隨著溫度升高，激光

器的最大輸出功率與注入電流會下降，同時因激光器被鎖定到分布布拉格反射器鏡中而產(chǎn)生

振蕩。此外，由于分布布拉格反射器的有效折射率隨溫度升高而增大，分布布拉格反射器激

光器的輸出也會出現(xiàn)波長偏移。在采用激光集成封裝與全集成封裝技術(shù)的情況下，環(huán)境溫度

波動可能導(dǎo)致激光器無法維持穩(wěn)定的輸出功率與波長，進而影響光子器件的可靠性 [245]。

而且在 3D 共封裝中，有源 EIC 產(chǎn)生的熱量可能會對 PIC 造成顯著影響。在這種情況下，對

溫度敏感的光子元件的有效折射率可能會發(fā)生變化，導(dǎo)致波長偏移，從而阻礙基于光子器件

的穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸 [246]。另外，相位調(diào)制器受熱時，芯片會發(fā)生膨脹，進而導(dǎo)致光學(xué)耦合不

穩(wěn)定 [124]。

要解決這些問題，就需要一套能夠維持 PIC 溫度穩(wěn)定的熱管理系統(tǒng)。目前，基于 TEC 的溫

度控制器已得到廣泛應(yīng)用。但這種方案會增加額外能耗，且導(dǎo)致器件尺寸增大。此外，還需

要 PID 驅(qū)動電路根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整工作條件，效率較低 [247,248]。因此，要實現(xiàn)穩(wěn)定可靠

的 3D 共封器件，必須研發(fā)并應(yīng)用比現(xiàn)有系統(tǒng)更高效、更緊湊的熱管理系統(tǒng)。

熱致位移現(xiàn)象會發(fā)生在多層 PIC 中。溫度變化時，由于各堆疊材料的熱膨脹系數(shù)不同，其位

置可能會出現(xiàn)意外偏移 [242,249]。圖 9c 展示了多層 PIC 中各光學(xué)元件隨溫度變化的最大位

移情況。該器件所用材料包括硅、聚酰亞胺和透明樹脂，它們的熱膨脹系數(shù)分別為

2.59×10??℃?1、4.0×10??℃?1 和 1.5×10??℃?1。由此可見，硅波導(dǎo)（SiWG）的熱膨脹系數(shù)

最小，位移量也最小；其次是聚酰亞胺基底面反射鏡；而聚合物制成的聚合物波導(dǎo)（PWG）

與頂面反射鏡的熱膨脹系數(shù)最大，位移量也最大。其中，頂面反射鏡下方堆疊的聚合物層更

厚，更易發(fā)生熱膨脹，因此其位移量比聚合物波導(dǎo)更大。這種現(xiàn)象可通過圖 9d 直觀觀察

到 —— 隨著溫度變化，多層器件的截面結(jié)構(gòu)會發(fā)生改變。當器件所處溫度環(huán)境變化時，原

本設(shè)計的、讓光穿過硅波導(dǎo)、底面反射鏡、頂面反射鏡和聚合物波導(dǎo)中心的光路會出現(xiàn)對準

偏差，進而導(dǎo)致光學(xué)耦合效率下降（圖 9e、f）。研究人員嘗試通過調(diào)整頂面反射鏡的傾斜

角度來緩解這一問題（圖 9g）。但盡管實現(xiàn)最大耦合效率的溫度發(fā)生了變化，耦合效率隨

溫度變化的規(guī)律卻未改變。因此，這種方法無法從根本上解決該問題。由此可見，溫度導(dǎo)致

的光子元件結(jié)構(gòu)偏移是多層光子器件面臨的重要問題，要實現(xiàn)高可靠性的多層光子器件，亟

需研發(fā)能夠從根本上解決堆疊材料特性差異的技術(shù)。

耦合材料失效是指材料因熱膨脹和熱應(yīng)力導(dǎo)致光學(xué)耦合斷開的現(xiàn)象，在采用對接耦合（即通

過光學(xué)粘合劑將光纖陣列附著在光子芯片輸入端口）的情況下，這種現(xiàn)象尤為常見 [243]。

圖 9i 展示了在不同熱循環(huán)次數(shù)下，硅、熱氧化物、氫倍半硅氧烷（HSQ）等不同襯底與光

纖之間采用各類光學(xué)粘合劑鍵合的器件的存活率。耦合材料是否失效，與襯底的熱膨脹系數(shù)、

表面質(zhì)量及粘合劑材料特性有關(guān)。在粘合劑材料特性中，聚合度至關(guān)重要，它會影響通過粘

合劑傳遞的機械應(yīng)力。大多數(shù)存活率較低的粘合劑都是僅通過紫外光固化的類型。僅靠紫外

光固化時，紫外膠的聚合度通常僅能達到約 85%。因此，在熱循環(huán)環(huán)境中，僅經(jīng)紫外光固化

的紫外膠可能會在粘合劑內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力累積，導(dǎo)致光纖對準偏差或耦合失效 [251]。為解決這一問題，研究人員研發(fā)了添加潛伏性熱催化劑的光學(xué)粘合劑。這類粘合劑可通過完

全固化實現(xiàn)牢固鍵合，而僅靠紫外光固化無法達到這種效果，因此能提高粘合劑在熱循環(huán)環(huán)

境中的存活率。但即便使用添加潛伏性熱催化劑的粘合劑，與其他襯底相比，熱氧化物基襯

底仍會出現(xiàn)較多耦合失效情況。因此，還需進一步研究可適用于各類襯底、防止耦合失效的

方法，以提升光子器件在各種惡劣環(huán)境下的可靠性。

對準偏差指的是光路偏離導(dǎo)致耦合效率下降的現(xiàn)象 [198,252]。在實現(xiàn)光學(xué)耦合的過程中，

如果光路未正確對準，就會出現(xiàn)對準偏差。此外，如前所述，熱致位移、耦合材料固化不充

分等問題也可能導(dǎo)致對準偏差。在光子器件的光學(xué)耦合過程中，通常會使用昂貴且高精度的

對準設(shè)備。但如果因鍵合不當導(dǎo)致對準偏差，會嚴重影響器件性能。而且，即便使用精密設(shè)

備，水平與垂直方向的對準偏差仍可能在一定程度上存在。因此，在實現(xiàn)光學(xué)耦合時，需設(shè)

定偏移公差范圍以最大限度減少損耗，并在該范圍內(nèi)進行耦合操作。圖 9h 展示了水平與

垂直方向?qū)势顚?dǎo)致的損耗情況，結(jié)果表明，使用高功率激光器可擴大偏移公差范圍。因

此，提高對準偏差偏移公差的一種方法是采用高功率激光器。但目前所使用的精密對準設(shè)備

難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，且操作過程耗費人力。因此，亟需研發(fā)適用于未來大規(guī)模生產(chǎn)流程的

對準與光學(xué)耦合方法。

從光子封裝的實際應(yīng)用角度來看，長期可靠性是必須考慮的關(guān)鍵因素。長期熱應(yīng)力與老化效

應(yīng)被認為是導(dǎo)致光子封裝長期運行過程中可靠性下降的主要原因。當 PIC 經(jīng)歷反復(fù)熱循環(huán)時，

熱應(yīng)力會不斷累積，導(dǎo)致不同材料間（如襯底與波導(dǎo)之間、波導(dǎo)與光纖之間）的鍵合界面出

現(xiàn)分層與開裂現(xiàn)象。此外，在老化效應(yīng)的影響下，激光器、波導(dǎo)等光學(xué)元件的組成材料會隨

時間推移而老化，導(dǎo)致器件性能下降。因此，要確保光子器件在實際環(huán)境中實現(xiàn)長期穩(wěn)定運

行，在光子封裝中必須采用熱應(yīng)力低、抗老化的材料組合。此外，研發(fā)旨在解決這些問題的

下一代光子材料也至關(guān)重要。

從傳統(tǒng) EIC 發(fā)展而來的半導(dǎo)體技術(shù)，目前已面臨互連擴展的瓶頸，正尋求突破。在這一過程

中，研究人員不斷嘗試結(jié)合具有高速數(shù)據(jù)傳輸、寬帶寬、低延遲及高能效特性的 PIC 與 EIC，

以克服現(xiàn)有挑戰(zhàn)。但目前將 PIC 與 EIC 結(jié)合使用的封裝技術(shù)，大多依賴 2D 共封裝，這種方

式不僅空間利用率低，還會影響器件性能與能效。要解決這些問題，需為共封器件研發(fā) 2.5D

與 3D 共封技術(shù)，以減小器件尺寸、降低噪聲，并提高器件集成度與性能。此外，要進一

步減小共封器件的尺寸與噪聲，提升集成度與性能，還需在 PIC 上制造激光二極管與光電探

測器，構(gòu)建片上結(jié)構(gòu)。但要實現(xiàn)這一目標，必須先解決材料特性差異導(dǎo)致的缺陷等基礎(chǔ)性問

題。

此外，光子芯片封裝與光電共封技術(shù)目前仍面臨諸多未解決的問題，要實現(xiàn)這些器件的商業(yè)

化應(yīng)用，還需取得重大突破。目前，大多數(shù)器件仍采用基于 EIC、通過電連接實現(xiàn)功能的設(shè)

計。但未來，技術(shù)發(fā)展有望按照圖 10 所示的順序推進：首先是基于電互連的光電共封，通

過 PIC 與 EIC 的電連接，突破傳統(tǒng) EIC 互連擴展的局限；其次是基于光互連的光電共封，通

過在各元件之間構(gòu)建光連接，提高信息傳輸速度；最后是異質(zhì)光子器件，用 PIC 替代 EIC，

實現(xiàn)多層光學(xué)器件集成，最大限度提升器件的處理速度、信息傳輸速度、數(shù)據(jù)吞吐量等性能。

當異質(zhì)光子封裝技術(shù)得到應(yīng)用，且所有元件均基于光進行工作時，計算與通信可達到光速，

從而實現(xiàn)超高速處理、超高速數(shù)據(jù)傳輸及極低延遲。通過這種方式，隨著內(nèi)部處理器向光基

技術(shù)轉(zhuǎn)型，未來有望實現(xiàn)量子計算、高效半導(dǎo)體、高效數(shù)據(jù)中心等實際應(yīng)用。關(guān)鍵詞

先進封裝；共封裝；光學(xué)耦合；光學(xué)材料；光子芯片

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審核編輯 黃宇