工艺工程、制造设计、测试设计、标准化、外包以及自动化等流程在其他高科技行业中是常见的操作环节，但在光子学领域却基本缺失。对这些流程有更深入的了解将使制造商能够通过采用新的组装方法来克服成本障碍和其他障碍，从而优化生产效率，这些方法在适当的情况下可以加以运用。

图1、光子器件封装

如今，实现光子封装配置的标准化至关重要（图 1）。器件的功能决定了其封装形式。高性能器件通常采用蝴蝶型封装，而性能较低的器件则采用成本更低的封装形式。封装成本在光子元件中约占 60%至 80%，而在半导体行业中这一比例仅为 20%至 30%。考虑到用于各种光子器件构建的众多封装方法，例如表 1 中所列出的那些方法，很明显这些方法需要定制化的制造设备和工艺。

此外，这类设备是电子/光子混合体，其制造过程中使用了多种独特的材料——这一特点将光电子器件组装与传统微电子技术区分开来。从各种材料中（特别是硅、石英、掺杂二氧化硅、铌酸锂、砷化镓和磷化铟）——组件制造商会选择最适合特定设备的材料，并且每个器件都与光学电路的其他部分相互独立（图 2），不过随着光子集成电路的出现，这种状况正在发生变化。

为了减小尺寸、降低能耗和降低成本，推动光集成电路的发展。这给元件制造带来了新的挑战，包括确定哪些材料最适合用于哪些元件。例如，在高速数据传输系统中，光源激光器通过铌酸锂外部调制器进行调制。

然而，由于锂铌酸锂不适合作为激光源，因此很难将调制器与激光器进行集成。因此，采用砷化镓和磷化铟这两种均适合作为激光材料的材料来制造调制器的做法正在被引入。

每一步都至关重要

从芯片制造到涂层再到测试，激光二极管的整个生产过程中的每一个环节都至关重要。每个环节都会导致良率下降和废品产生——最终导致成品成本更高。半导体行业的关键成本削减策略是“杜绝前向缺陷”，因为每一个串行生产步骤都会为最终产品增加价值。

图2、典型的封装配置具有内置散热器，光纤端口和用于将组件安装在电路板上的引线。由Polese公司提供

对于制造激光二极管而言，基板晶体的（001）取向是至关重要的，因为制造商需要通过在与（001）晶体平面垂直的（110）平面上切割晶片来获得平行的反射镜。在晶片上通过光刻工艺制造出深 50 微米的凹槽，间距约为 200 至 300 微米，以提供芯片分离所需的刻痕线。通常情况下，晶片是从背面进行抛光，直至厚度约为 100 微米。

接下来，需沿着与晶片凹槽垂直的方向将晶片切割开。必须格外小心，以避免引入缺陷，比如在切割过程中由于表面损伤导致从芯片边缘到内部晶体的位错现象。在这个阶段，每个二极管都会在脉冲模式下进行测试，并从中挑选出性能良好的器件。

在将晶片切割成二极管阵列或条状结构后，通过射频溅射或化学气相沉积技术，在波导棱边的两个镜面上分别沉积一层保护性介电膜，如二氧化硅、氧化铝或硅氮化物。这样可以保护镜面免受大气环境的影响，从而抑制棱边的氧化现象（氧化会导致长期性能下降），并降低表面复合速度（这是导致灾难性故障的一个重要参数）。

在器件制造过程中，还会对二极管施加外部应力。在将经过加工的晶圆切割成二极管阵列时，由于晶体切割边缘的机械作用可能会造成机械损伤，在某些情况下还会产生位错。此外，在芯片安装或引线键合步骤中，热应力或机械应力可能会在二极管中积累弹性应变，或者可能在晶体上产生机械损伤或划痕。为了减少应力并实现极其可重复和一致的结果，这一过程应当实现自动化并由程序驱动。

考虑将激光二极管安装在光源或泵浦激光器内部。这是一种极其对温度敏感的设备，在组装过程中需要进行精细的工艺控制。精密的共晶组件安装包括硅、砷化镓或磷化铟芯片的拾取与放置；预成型或预焊接器件在原位进行回流处理，并与可编程的 X、Y 或 Z 轴搅拌配合进行操作；以及可编程的脉冲加热或稳态温度控制。

在原位共晶式芯片安装过程中，回流曲线的设定旨在实现均匀的熔化过程，并确保安装界面无气泡。激光二极管产生的热量转移对激光运行过程中的温度稳定起到了重要作用（如图 3 所示）。

图3、激光二极管模块组件的回流曲线

对齐并固定连接

最终的组装步骤是将光纤对齐并进行连接。为了优化耦合效率，尤其是对于单模设备而言，最终的对齐精度必须达到实际峰值的 0.1 微米以内。由于二极管、二极管组装以及光纤芯中心存在制造差异，因此必须对光纤进行主动对齐。

通常，在将光纤或光纤阵列永久性地通过激光焊接、焊接或环氧树脂固定到设备上之前，会先进行此操作。来自或由放置在设备上的该装置所产生的信息将决定光学组件的最佳位置。

在六个自由度（即 X 轴、Y 轴和 Z 轴方向、俯仰、滚转和偏航）上都会发生对齐现象。最常用的度量标准是光功率，其可能基于其他参数，例如偏振。

任何连接系统中最关键的参数就是最终的连接后光功率。这个过程可能会导致应力或机械位移，系统必须对此加以考虑。哪怕只是微米级的位移也可能使设备无法使用，因此对光纤对齐和连接过程的严格控制至关重要。

一种有助于了解芯片连接完整性的重要测量方法是光电流电压（LIV）测试。在该测试中，激光驱动电流从零逐渐增加至最大工作电流，同时记录激光的输出功率以及二极管结两端的正向电压。

通过比较连续波（CW）电流曲线和脉冲电流曲线，可以判断二极管连接的完整性。如果通过芯片键合处的热流较大，那么这两条曲线将会相似。然而，如果键合存在缺陷，那么热流就会较小，在连续波运行时激光芯片会发热，此时两条曲线将会有很大的差异。

通过了解激光二极管的几个特性取决于其结温这一事实，可以更定量地评估键合效果。例如，输出功率、正向电压、波长和阈值电流等。最直接的定量测试方法是测量激光的波长，这能够计算出热阻抗，从而直接测量芯片的附着质量。

在激光集成度测试期间，激光二极管模块会在不同的驱动电流水平下进行特性测试。通常，这些测试是在一个专用的、由计算机控制的测试台上进行的，该测试台配备有电流和电压源、用于为模块内部的热电冷却器供电和控制的仪器、一个或多个光电探测器或其他传感器，以及灵敏的电流测量能力。这些仪器通常被整合到一个激光集成度测试系统中，该系统会生成光输出、驱动电流和激光二极管模块的电压特性之间关系的图表。

典型的激光干涉仪测试系统的功能要求包括：能够提供高精度的电流输出以驱动激光二极管，具备以飞安级别精度测量亚皮安级电流的能力，以及对能够调节模块工作温度的热电冷却器进行控制。为了确保模块的波长输出保持一致并保护设备免受过热造成的损害，温度控制精度需达到±0.01°C。

综合考虑

光电元件的制造与封装行业正面临降低成本的巨大压力。大多数制造商已经意识到，改变装配方式将有助于降低元件成本，并提高生产效率。

这促使该行业摒弃了数十年来一直沿用的手工组装流程，转而采用高精度、高产量的自动化生产方式。此外，越来越多能够满足严格公差要求和丰富产品种类的供应商正在涌现。这些供应商正在开发的设备和工艺专长不仅将使光学组件的制造更加高效，还将使组件设计者能够将通信技术的前沿推向未来。

转自：光子位

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