经济高效光子芯片与电子芯片共封装方法

数字计算与通信的未来，将同时涉及电子学（用电处理数据）和光子学（用光处理数据）。两者的结合有望以更高能效实现全球数据流量的指数级增长。

麻省理工学院材料科学与工程系Thomas Lord讲席教授、微光子中心主任Lionel Kimerling表示：关键在于，将光子学与电子学集成至同一封装内，就是21世纪的晶体管技术。如果无法攻克这一难题，就无法实现技术迭代。

图中绿色标注的MIT器件可能是实现更快速、更节能数据通信的关键。它解决了电子芯片（中央黑色部分）与光子芯片（周围八个方形模块）共封装的核心难题。图中还展示了自动化工具正在将最后一块光子芯片精准定位的过程

为此，麻省理工学院新成立了FUTUR-IC研究团队。“我们的目标是构建资源高效的微芯片产业价值链。”团队负责人、材料研究实验室首席科学家Anu Agarwal解释道。

近期，Agarwal与Kimerling等FUTUR-IC研究人员开发出新型光子-电子芯片共封装方案，解决了当前工艺中的多项难题。其优势在于：该共封装器件可利用传统电子代工厂现有设备制造，且采用成本更低的被动对准工艺，因此具有显著经济性。

相关论文已获专利保护，今年早些时候作为封面文章发表于《先进工程材料》。去年秋季，论文第一作者、材料科学与工程系研究生Drew Weninger在第57届国际微电子研讨会上报告了该成果，并荣获最佳学生论文奖。其他合著者包括布里奇沃特州立大学的Samuel Serna及DMSE研究生Luigi Ranno。

详细展示制造流程的图示。a)呈现了芯片间耦合原型器件的制造与封装工艺流程；b)通过截面SEM图像展示了SOI和SiN𝑥的最小与最大特征尺寸；c,d)分别为测试台上的芯片间耦合原型与独立玻璃芯片；e)为测试装置原理示意图

构建资源高效的微芯片产业
据Kimerling预测，在2020年，接入“云端”数据中心的手机、GPS等设备就已经突破500亿台。与此同时，数据中心流量每10年增长1000倍。这种通信需要消耗能源，而由于GDP增速无法匹配，必须将能耗控制在当前水平。解决方案要么增加能源供给，要么提升信息技术能效。

将光子学与现有电子芯片集成属于后者——光数据传输能效更高。“我们的理念是用电子负责计算，用光子负责通信，从而化解能源危机。”Agarwal指出。但这一方案存在技术挑战。

例如，当前在单一封装内连接电子芯片与光子芯片成本高昂。这是因为光纤纤芯（直径10微米）与光子芯片（截面尺寸仅0.2×0.5微米）必须近乎完美对准，否则会导致光信号逸散。因此现有工艺每个连接点都需激光主动校准。

“随着数据通信需求呈指数增长，这种主动对准工艺将无法满足规模化需求。”Weninger表示。

更宽松的容差空间
这种名为“倏逝波耦合器”的新型器件，为电子-光子封装中的光纤连接提供了更大容差空间。传统耦合器仅单点耦合，对准精度要求严苛。而新型耦合器通过延长相互作用距离放宽了对准要求。这使得机器人可进行被动组装（无需激光主动校准），同时保证更低的光损耗。

另一项突破在于：该耦合器实现了芯片堆叠层间的“垂直光传输”。Ranno强调：这在技术上极具挑战，因为光通常难以脱离水平面传播。“电子可以轻松实现三维流动，但光波天然抗拒直角转向。”Weninger对比道。而新型耦合器成功实现了光在堆叠芯片间的跨层传输。

Ranno总结道：我们开发的封装方案兼具高可靠性、大容差、低光损和小尺寸等优势，完美满足了高效功能性互连的所有需求。该研究部分工作在MIT.nano实验平台完成，并得到麻省理工学院电子-光子封装联盟的支持。