文/Gabrie Hoogland，荷兰SABIC公司首席科学家

Kamil Gradkowski，爱尔兰Tyndall National Institute高级研究员

图1：SABIC公司和Tyndall National Institute联合开发的表面光栅耦合器演示装置。（图片来源：SABIC与Tyndall National Institute）

人工智能（AI）、物联网（IoT）、5G 网络及相关数字技术的快速发展，正推动数据流量以前所未有的速度激增，这对更快的传输速率和更大的带宽容量提出了新的需求。传统的电子互连技术已经难以满足当前所需要的数据速率与密度要求。对此，电信行业正在加速研发高性能、高能效且具备可持续性的光数据通信系统。

共封装光学器件（CPO）是一种极具前景的解决方案，它可以替代可插拔光模块，将光学元件集成到印刷电路板（PCB）上，使其靠近或直接毗邻专用集成电路（ASIC）交换器或其他电子集成电路（IC）。通过将光电数据转换环节尽可能靠近数据中心内的ASIC 交换器，CPO 能显著提升带宽，并大幅提高数据中心的能源效率。

然而，将光学接口集成到芯片或光子集成电路（PIC）中，也会面临新的挑战。最关键的一点是：任何光学元件都必须要承受 PCB 组装过程中回流焊环节的高温，该温度可达 260°C。这极大地限制了可用于制造这些光学元件（尤其是透镜）的材料选择。

如何高效地将光耦合进出PIC、光纤和传感器，已经成为一项核心挑战。解决方案之一是采用微透镜阵列（MLA），它由排列在基板上网格内的多个小型透镜（微透镜单元）组成。微透镜阵列不仅能够支持非接触式自由空间光学接口，同时还能实现高效光耦合。但要发挥其大规模应用的潜力，必须要实现具有热稳定性的微光学元件的大规模生产与组装。

为微透镜阵列选择最适合的材料

目前，绝大多数微透镜阵列是通过刻蚀熔融石英或硅晶圆制造的。这种晶圆级制造工艺能够被严格控制，可以实现高质量的批量复制。然而，从透镜设计到成品的整个流程，成本高昂且耗时较长，这阻碍了其大规模量产，特别是在设计复杂的情况下更是如此。

当透镜形状相对简单时，可以使用环氧树脂等热固性树脂，但这类材料存在固化时间长、固化后耐热性有限的问题。尽管已经开发了双光子聚合等技术用于打印基于有机聚合物的高分辨率微光学元件，但这些方案在规模化生产、热稳定性和/或折射率范围方面，仍然存在局限性。

微注塑成型已经成为微透镜阵列制造的一种革命性的替代方案，该技术能够实现复杂、精密微光学元件的量产，并且在产品一致性、生产速度、可扩展性和成本效益方面，都表现出色。

微注塑成型技术还可以小批量生产透镜用于原型制作，无需利用整片晶圆制造透镜。该技术可以注塑任意厚度的透镜，从而使设计师摆脱了标准晶圆厚度的限制。此外，该技术更容易集成一些其他微光学特征，如基准标记、定位销等。与主动对准方法相比，这些有助于实现被动光学对准的集成特征，还能缩短组装时间，降低成本。

聚醚酰亚胺（PEI）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、环烯烃共聚物（COC）和聚碳酸酯（PC），是注塑成型大批量复杂形状的透镜及透镜阵列的常用热塑性树脂。其中，ULTEM 树脂（一种PEI材料）是制造用于可插拔收发器、扩展光束连接器等器件中的微透镜阵列的首选材料。

制造商在这些热塑性树脂中进行选择时，必须要考虑组装工艺的影响。例如，光学元件在回流焊工艺过程中可能会暴露于高温下，因此这类光学元件所选用的材料，必须能够在这些热环境下保持尺寸精度。如果光学透镜阵列要在PCB 最终组装前完成装配，那么在回流焊过程中，光学元件将要承受 260°C 的高温，此时制造光学元件所用的热塑性树脂，其热变形温度至少要高达260°C。

当前面临的一个挑战是：许多热塑性塑料在 260°C 高温下会发生变形或熔化，无法满足使用回流焊工艺组装CPO系统的新要求。为此，SABIC公司研发出 了一种热塑性PI材料——EXTEM RH1017UCL 树脂，来应对上述挑战。这种近红外（NIR）透明树脂的玻璃化转变温度远高于 260°C，从而为业界提供了一种切实可行的材料，可用于大规模生产适用于回流焊组装的微光学元件。

热塑性微透镜阵列实现稳定的光耦合

SABIC公司研发的PI材料，为光子系统集成提供了可能：它提供了一个高效光耦合平台，即便在湿热老化、热冲击等严苛的行业测试中，该平台仍能保持优异的性能。尽管微透镜阵列本身属于被动光学元件，但它们却发挥着至关重要的作用。通过支持光纤、波导、传感器与光子芯片之间精准且稳定的光耦合（即使是经过表面贴装技术（SMT）的回流焊工艺后），这些微透镜阵列突破了CPO系统实际部署的一个关键障碍，因为它们通过扩展光束，提高了封装过程中的对准容差。

此外，与直接物理光纤接触系统相比，这些微透镜阵列实现的自由空间光学接口，能降低机械应力，从而简化组装过程并提高可靠性。

案例研究 1：用于CPO的光学互连

为了展示注塑成型PI树脂材料在CPO光学互连中的可行性与优势，SABIC公司与Tyndall National Institute（一个专注于集成ICT材料、器件及系统的欧洲研究中心）合作，构建了表面耦合器和边缘耦合器。在该设计中，微透镜阵列被封装在带有波导环路的PIC上（分别见图1和图 2）。在这个设计中，单模光束在光纤阵列单元和PIC之间进行了扩束。

图 2：SABIC公司和Tyndall National Institute联合开发的边缘耦合器演示装置。（图片来源：SABIC与Tyndall National Institute）

SABIC的新型树脂用于制造兼容单模的微透镜阵列，该阵列包含 8 个透镜组，间距为 250 µm。这些尺寸与光接口中常见的标准 8 光纤连接器阵列相匹配。通过注塑成型技术以严格的公差制造这些高精度小型元件，既保证了精度，又兼具大批量成型技术的可扩展性，实现了微透镜阵列制造领域的一项重大技术突破。

为验证其实用性，研究人员利用这些微透镜阵列创建扩束光学元件。使用光学透明粘合剂，将这些扩束光学元件粘在光连接器接口的两侧，以通过更大的自由空间光束将光纤阵列耦合到PIC。这种方法放宽了对横向对准容差的要求，并降低了灰尘颗粒等污染物造成的阻塞风险。

即便经过多次 260°C 的回流焊循环，这些微透镜阵列仍能保持尺寸稳定和光学性能完好。这种稳定性对于集成到基于SMT的电子组装生产线中至关重要。

高效的光纤耦合结构，对于极高密度的光学输入和输出必不可少。通常存在两种耦合结构：光栅耦合器和边缘耦合器。这两种结构各有其独特的优缺点，因此，研究团队构建了两种类型的演示器件。通过将光纤阵列和PIC分别键合到不同的基座上，对两种演示器件进行了50次插拔循环测试。

两种器件均在 25 gigabaud的信号速率下，实现了稳定的眼图。在 50 次插拔循环中，每个耦合器的平均耦合损耗均为 2.2 dB。这些结果达到或超过了许多高速光子互连的实际应用要求。

案例研究 2：微透镜阵列的自动对准

在大多数CPO封装/对准过程中，会使用环氧树脂等光学胶粘剂。SABIC与芯片集成技术中心（Chip Integration Technology Center，CITC）合作开发了一种新工艺，其采用一种替代的互连技术用于微透镜阵列的光学对准。该工艺需要对微透镜阵列上与PIC上柔性金属焊盘接触的特定区域，进行金属化处理。在 SAC305（一种锡-银-铜无铅焊料）回流焊过程中，微透镜阵列与PIC基板会自动对准。这种新型光学封装方法可以替代传统的环氧树脂胶粘剂，后者存在长期稳定性不足、热膨胀系数（CTE）失配等缺点。

扩大光学阵列的生产规模

采用微成型技术和耐高温的特种热塑性塑料，来扩大光学阵列的生产规模，可以在可接受的成本范围内，实现大批量、可扩展的生产。此外，注塑成型技术还能集成有助于实现被动光对准的特征，与主动对准方法相比，能够缩短组装时间并降低成本。

微成型光学元件的其他优势包括：可加速设计创新的快速原型制作；依托成熟的材料特性和成型技术，有望实现光学设计与性能的标准化。总体而言，这些技术进步将帮助光通信和传感行业，更快地向共封装和板载光学器件转型。