作者：Sally Cole Johnson Laser Focus World主编

一种新型光子芯片封装方法，有望打开传统光子封装技术无法生存的应用领域之门—如太空任务、核环境和高能物理实验。

 美国国家标准与技术研究院（NIST）光子测温项目首席研究员兼项目负责人尼古拉·N·克里莫夫（Nikolai N. Klimov）博士领导的跨学科科学家团队，创建了一种在极宽温度范围内—从深低温到极高温—将光纤耦合至光子集成电路（PIC）的全新方法。

“我们的工作灵感既源于科学探索，也出于战略考量，”克里莫夫表示。他的团队正致力于开发基于集成光子学的芯片级温度标准—标准光子温度计（SPoT）。该标准最终有望超越并取代全球最优秀的电阻温度计—标准铂电阻温度计（SPRTs）。“如果我们想要一种能够重新定义温度计量学的光子温度计，首先需要发明一种封装方法，使其能够在传统光子封装从未被期望运行的环境中存活。”

SPRTs几十年来一直是精密测温的标杆，但它们易碎、昂贵，且仅限于受控实验室环境。“如果光子测温要成为下一代标准，它必须既精准又具备可部署性，”克里莫夫说。“这正是封装成为关键任务的地方。而这一挑战—为极端环境创建一种坚固、无粘合剂、对准稳定的光纤-芯片接口—成为了我们工作的基础。”

光子芯片-光纤封装的范式转变

大多数光子封装依赖环氧树脂或聚合物来固定光纤，但这些材料在极端温度范围内无法存活—它们往往会软化、开裂、放气或发生漂移。

因此，克里莫夫及其团队着手创建一种兼容各种恶劣环境的光子封装方法。“我们还希望它具有足够的灵活性，适用于多种光子材料—如硅、氮化硅、铌酸锂，”他说。“而且它必须同时适用于端面光耦合（将光纤阵列键合到单个PIC芯片的端面）和晶圆级封装（将光纤阵列键合到晶圆表面光栅耦合器的输入/输出端口）。”

通过使用硅酸盐网络氢氧化物催化键合（HCB）替代传统的有机聚合物，他们在光子芯片-光纤封装领域实现了一次范式转变。

“在HCB过程中，我们在两个待连接的氧化物终端界面之间形成一层极薄但极强的硅酸盐网络键合层，”克里莫夫解释道。“这种方法最初于20世纪80年代在斯坦福大学开发。首次应用于NASA卫星任务‘重力探测器B’，随后用于地面引力波探测器GEO600，后来也用于其他天文应用。据我们所知，此前从未有人将HCB用于具有亚微米对准公差的光子集成电路封装。”

蒙特卡罗模拟

尽管克里莫夫及其同事没有对HCB本身进行力学或热学模拟，但他们进行了一组有趣的蒙特卡罗模拟，这对“理解超薄HCB层在极端环境测试中实际接收到的电离辐射剂量至关重要，”他说。

在将封装好的光子芯片暴露于累积1.1兆戈瑞（MGy）的电离辐射后—一次典型胸部X光片约为0.1毫戈瑞—并确认组件完好无损后，科学家们希望知道其中有多少辐射剂量实际到达了仅40至200纳米厚的HCB键合层。

由于HCB层极薄且埋藏在组件内部，“我们对整个暴露于辐射的光纤耦合芯片封装进行了蒙特卡罗建模，”克里莫夫说。“我们的建模显示，HCB层接收了约1.3 MGy的辐射，略高于外部剂量，这是由于PIC的硅衬底层内产生了次级电子。而厚度仅数十纳米的HCB键合层仍然完好无损，我们仍能将光耦合到PIC中。”

这项工作最酷的一点是什么？“我们的光子芯片封装方法可以使PIC在极其恶劣的环境中可靠部署—从强电离辐射到深低温或高温环境，再到超高真空环境，”克里莫夫说。“我们的光纤耦合PIC坚固到在反复快速浸入液氮的系列测试后，没有出现任何键合退化或光耦合效率损失的迹象—依然完好无损。”

这种封装在“我们尚未测试的环境中同样显示出明显潜力，如高湿度和强化学暴露环境，”克里莫夫说。“氢氧化物催化键合（HCB）界面的结构强烈表明，该方法也可扩展至这些条件。”

加速固化时间，扩展封装工艺

尽管该团队已证明其封装方法能够耐受极端温度、超高真空甚至兆戈瑞级电离辐射，但在其成为完全可部署的现场应用技术之前，仍需克服若干挑战。

他们还需要“表征其在长周期循环中的行为：从低温到高温的重复温度循环；数月的真空暴露；以及太空任务中的长期辐射环境，”克里莫夫说。“了解长期漂移和稳定性对于真正的计量级标准至关重要。”

加速固化时间是另一个挑战。“目前，我们需要一周时间来固化键合层，但我们相信可以缩短至一天甚至几小时。我们还需要在恶劣环境中进行更严格（更长期）的测试，如高湿度和化学暴露，”克里莫夫说。“一旦缩短固化时间，我们还需要想办法扩展封装工艺以实现大批量生产。我们可以测试跨多个器件的封装可重复性—时间线约为1到2年。”

HCB界面的结构“表明其与高湿度和化学恶劣环境具有兼容性，”克里莫夫说。“我们尚未通过实验验证这一点，但在这些条件下证明其坚固性将为工业和环境传感应用打开大门。”

尼古拉·克里莫夫手持一个装有光纤耦合PIC的塑料盒  图片来源：M. King/NIST

目标：可部署系统

无粘合剂、极端环境光子封装的核心技术“已在实验室得到验证，”克里莫夫说。“这为我们从概念验证走向可部署系统奠定了坚实基础。”

一旦可靠性和可制造性得到确立，该团队的长期目标将是重点在太空任务、核设施、低温量子系统和恶劣工业环境中进行测试部署。“这些早期采用场景正是测温技术的优势以及相关坚固光子封装需求最为突出的地方，”克里莫夫说。

克里莫夫相信，他的团队工作“将对光子学界产生深远影响，将光子学的应用范围扩展到新的极端环境领域，包括核电站和太空中的温度传感，”他说。“我们的方法还可支持新兴应用，如光子量子计算、量子通信、量子光力学实验，以及在低温条件下需要可靠光子光纤-芯片封装的单光子发射与探测。”