技术前沿 | 下一代光学组件该往哪条路上走？
2024-01-26
1440核心提示：技术前沿 | 下一代光学组件该往哪条路上走？
近几年，自动驾驶、生物医疗、机器视觉、生物识别、智能家居，智能安防监控等领域在全球快速发展，使得这些科技焦点登上了我们的热搜榜。在这些领域里，光学透镜、光学镜头等元器件作为获取图像视频等成像信息的关键部件，被广泛应用于上述领域当中。受应用领域持续拓展的影响，全球对光学元器件需求进一步增加，根据国际光学与光子学学会（SPIE）发布的报告《Optics & Photonics Industry Report 2022》显示，预计全球核心光学和光子组件行业规模将不断扩大，全球市场规模将在2023年或2024年达到4000亿美元，发展前景广阔。在电子系统成本，其封装、装配和测试环节只占一小部分，而对于光子集成电路来讲，其成本的比例恰恰相反。埃因霍温技术大学（TU/e）的研究人员估计，对于大多数磷化铟（InP）光子器件，封装、装配和测试的成本可以达到总模块成本的80%左右。为了在全球范围内开启一场光子学应用的革命，它需要像电子产品一样易于制造和使用。 图1. 基于InP PIC的模块的工艺成本细目占整体制造成本的百分比。本文将为您分享一篇关于改善光子器件的光学子组件和封装的三个关键途径的文章。改进光子学制造的一个关键方法是学习已经众所周知和标准化的电子产品封装、装配和测试方法。毕竟，建立一条新的特殊生产线要比修改现有的生产流程要昂贵得多。转移到光子学中的一项电子技术是球栅阵列（BGA）封装。在过去的几十年里，BGA封装在电子制造商中越来越受欢迎。它将芯片连接置于芯片封装之下，使电路板的空间得到更有效的利用，封装尺寸更小，而且焊接效果更好。图2：球栅阵列（BGA）式封装的顶部、底部和侧面视图。进入光子学的另一项关键技术是倒装芯片键合。这个过程是在最后的制造步骤中，将焊接凸点沉积在芯片上。芯片被翻转过来，与电路板对齐，以便于焊接。对于在过去五年或十年中开始的光子学开发商来说，这些可能是新技术。然而，电子工业在20或30年前就已经接受了这些技术。让这些技术更加普及，将会使光子学在扩大规模和像电子学一样普及的能力方面，产生巨大变化。
采用BGA封装和倒装芯片键合技术，将使PIC更容易经受这种焊接过程。全世界都在进行研究和开发，包括在Effect Photonics公司，以便将更多的电子封装方法转移到光子学。使得PIC芯片能够被焊接到电路板上，使该行业能够制造出更容易进入公开市场的光学子组件，可以应用到火车、汽车或飞机上。规模经济是电子制造业的一个重要原则，我们也必须将其应用于光子学。我们能在单个芯片中集成的元件越多，能在单个晶圆中集成的芯片越多，光子器件就越实惠。如果生产量从每年几千个芯片增加到几百万个，每个光子芯片的价格就可以从几千欧元降到仅仅几十欧元。这必须是整个光子行业的目标。通过在单个芯片上集成所有的光学元件，我们也将复杂性从组装过程转移到更有效和可扩展的半导体晶圆工艺。把多个光子芯片互联装配和封装到一个封装里面，会增加封装的复杂性和成本。另一方面，在晶圆上大批量地组合和排列光学元件要容易得多，这就降低了器件的成本。深化光子学集成也将对功耗产生重大影响。将所有的光学元件（激光器、探测器、调制器等）集成在一个芯片上，可以最大限度地减少损失，使光收发器等设备更加高效。这种方法不仅优化了设备本身的效率，而且也优化了耗费资源的芯片制造过程。在过去的十年中，可调谐激光器的封装和集成技术的进步适应了对更小尺寸的需求。2011年，可调谐激光器遵循多源协议（MSA），用于可调谐激光器组件（ITLAs）。到2015年，可调谐激光器以更紧凑的Micro-ITLA外形尺寸出售，它将原来的ITLA封装尺寸减少一半。而在2019年，激光器开发商宣布了一种新的Nano-ITLA外形尺寸，将尺寸再次减少了近一半。图4：用于相干光学的可调谐激光器外形尺寸的演变（2011-2021）。该图来自《Laser Focus World》中的一张图片。未来减少可调谐激光器的占地面积将需要对其部件进行更大的整合。例如，每个可调谐激光器都需要一个波长锁定器部件，它可以稳定激光器的输出，而不受温度等环境条件的影响。将波长锁定器部件集成在激光器芯片上，而不是在外部安装，将有助于减少激光器封装的占地面积和功耗。优化激光模块尺寸的另一个方面是允许收发器开发商混合和匹配他们的构建块。例如，收发器中的传统ITLA包含温度控制驱动器和功率转换器功能。然而，主收发器板通常也能提供这些功能。如果在主板执行这些驱动器和转换器功能， 将可以避免在主板和可调谐激光器中使用多余的元件。未来的激光器封装还将涉及更多的多激光器阵列的封装。正如之前的文章所解释的那样，多激光器阵列将变得越来越有必要，以增加相干系统的链接容量。它们将不需要在路由器面板上有更多的插槽，同时避免了用单一激光通道提高速度的更高成本和复杂性。改进子组件和封装对光子学发挥其潜力至关重要。光子学必须学习成熟的、标准化的电子封装技术，如BGA封装和倒装芯片粘接。通过提高集成度，光子学可以实现规模经济，使器件更加经济实惠和节能。在这种情况下，改进可调谐激光器和阵列的集成和封装将特别重要。总的来说，这些努力将使光子学更容易进入公开市场，并使其像电子产品一样容易制造和使用。第十四届光电子产业博览会在北京国家会议中心盛大开启，在7月26-28日三天的时间里，将围绕光通信、激光智能制造、精密光学等热点领域，为您呈现最前沿的光电技术和产品，共同探讨光电子产业应用前景，欢迎您拨冗莅临！
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