深南电路：用于PCB板级光互连的低损耗带状多模光纤-聚合物波导无源耦合

前两篇写了下一代光互连先进封装的玻璃基板（Advanced substrate beyond PCB），这一篇来看下传统的基于PCB的光电互连板。其实今年OCP上，韩国的LIPAC公司也展示了他们的oSIP方案，瑞士的vario-opics也有他们的EOCB方案，都是属于推动PCB从电路板向光电板的转变。国内深南电路这几年也发了一些相关的文章，在做相似的探索，虽然还没展示完整的光电板方案，不过也在低损耗聚合物波导/弯曲波导/光纤耦合界面上做了一些探索。

这篇文章报道的是一种多通道带状多模光纤阵列与光波导的低损耗无源耦合。本工作提出了一种新的具有成本效益的方法，通过分层结构设计和选择性曝光技术，在衬底上实现12芯带状光纤的自对准，并实现波导与光纤之间的高精度无源耦合。该方法利用单次的选择性光刻步骤对聚合物波导和U型槽进行加工，从而最大限度地减少了光纤和聚合物波导的水平和垂直位移。相关测试结果表明，光纤和聚合物波导在水平和垂直方向上的机械自对准精度均在4μm以内。光纤到波导链路的特性显示，每个耦合接口的总额外损耗为0.13dB，而光纤与聚合物波导之间的失准所导致的耦合损耗约为0.1dB。经过热冲击循环和高湿度/温度测试后，器件性能保持稳定，证明了波导器件具有出色的环境可靠性。

图1展示了本文使用的基于钠钙玻璃的商用铬光掩模的示意图。光掩模的相对位置误差约为0.25μm，确保所生产的耦合结构具有良好的水平对准。此外，为5mm设计的耦合器区域确保了机械稳定性，同时最小化了其长度。 光纤与波导芯的垂直对准由几个因素决定，包括FR-4衬底顶面的固有平整度、U型槽的精确宽度、光纤的尺寸以及波导的芯层高度。光纤尺寸的公差，如包层直径和芯同心度，非常小，因此光纤中心在U型槽内的位置精度很高。这确保了在组装过程中光纤与波导芯的最佳对准容易且高效。FR - 4衬底顶面上的对准脊特征作为波导芯的良好参考平面。光纤表面与顶面之间的接触提供了精确的垂直对准。

图2展示了U型槽在衬底上将光纤对准到光波导，底部包层厚度设置为38.5μm，芯层厚度设置为50μm，供应商提供的公差为2μm。因此，从底部包层到中间芯层的精确距离为62.5μm，与光纤芯直径完美匹配。加工分辨率在实现光纤与波导之间的精确对准中起着重要作用。它对偏离理想光功率耦合效率的影响比图案对准公差更大。为了获得精确宽度的U型槽，必须严格控制蚀刻过程以避免过度蚀刻。定制厚度和高曝光精度可以有效地实现这一目标。由于预设结构的限制，实现了光纤到聚合物波导端面的机械布线，允许进行机械钻孔而不会出现潜在的失准。这种方法有效地避免了粘合剂固化收缩和环境振动两大显著影响耦合损耗的因素。

在这项工作中，光纤带一侧端接MT连接器，长度为18mm。为了实现多根光纤的低损耗耦合，所有光纤必须等长且共面排列。简单的物理切割无法满足这一要求，因为可能会导致长度不均匀和端面破裂。为了避免这些问题，采用机械研磨工艺对12通道光阵列光纤的端面进行平滑处理，得到长度均匀且端面质量相同的光纤，如图3b和图3c所示。所应用的机械研磨工艺产生的光纤端面均方根粗糙度为20nm。

两种膜状的紫外固化环氧树脂基树脂被用作波导的包层和芯层材料。在850nm波长下，芯层和包层材料的折射率分别为1.582和1.571。波导通过EGV 610半自动光掩模对准系统进行光学图案化，随后，通过显影和蚀刻形成波导阵列和用于容纳裸光纤的波导脊。与传统的波导制造工艺不同，这里采用了选择性区域曝光方法，以确保在后续芯层曝光和显影过程中，下底部包层的未曝光区域保持活性。

波导端面的质量对于实现高效耦合至关重要。本工作是在Disco DAD3351切割机上进行端面切割工艺，实现具有优异表面质量的端面，这是制备高效耦合结构的便捷常规方法。端面的粗糙度取决于切割锯的粒度、旋转速度和刀具的平移速度。本工作使用双面为90度角表面的电铸切割刀片来平滑波导的端面。切割刀片的金刚石颗粒粒度为5000目。通过优化加工参数（主轴转速为30,000rpm和前进速度为0.6mm/min），获得了高质量的端面表面，所得端面粗糙度小于200nm。

组装过程如图5a所示。耦合过程可简要描述如下。将低粘度（200 - 400mPas）的紫外固化环氧树脂基胶水（Vitralit®1605，Panacol, Inc.）涂入应力消除凹槽中，以提高机械可靠性。胶水然后通过毛细力流入沟槽，并在波导和光纤端面之间的间隙中也起到折射率匹配剂的作用。在850nm波长下，折射率匹配标准胶水的折射率为1.52，低于芯层材料且接近包层材料。随后，通过强氮气流吹除多余的胶水。由于表面张力，只有少量胶水留在U型槽底部。剩余的胶水有效地填充了光纤和U型槽之间的间隙。接下来，在光学显微镜的辅助下，将一部分外皮剥去的光纤手动插入U型槽中。使用视觉控制系统对U型槽侧壁进行视觉预对准，并确认光纤与波导相连。垂直和水平对准由基于U型槽几何形状的自对准策略定义。一旦光纤的侧面接触到U型槽的壁，光纤就会相应地良好对准。

图5b显示了良好对准的光纤的俯视图。在轴向位置方面，为了实现最大耦合效率，需要最小化光纤端面和波导端面之间的距离。光纤端面和波导端面起到机械制动件的作用。通过向器件和板施加压力，实现了光纤和波导端面之间的最小间隙。此外，使用视觉控制来最小化光纤和波导端面之间的非关键距离。使用环氧树脂基胶水将阵列光纤固定到U型槽中，胶水也填充了光纤和波导端面之间非常窄的间隙。在组装过程中，重要的是要防止由于胶水的浮力抬起光纤而导致的失准。为了解决这个问题，使用了一个紫外透明的额外盖板将光纤压在凹槽底部。随后，使用紫外光固化环氧树脂基胶水，将光纤精确地固定在U型槽中。最后，在顶部形成一个60μm的上包层，以嵌入耦合结构并实现更稳健的组装。图5c显示了实现的组装器件的图片。如图5c1所示，端接MT兼容连接器的外围光纤带在波导通道前对接耦合并完美对准。红光通过器件传播而没有任何泄漏（见图5c2和图5c3），表明光纤和波导之间具有出色的对准。 12通道耦合在3分钟内成功完成。由于初始位置有几微米的松动，能够在不使用任何特殊定位工具的情况下完成U型槽到波导的组装。这里提出的自对准概念提供了基于机械止动件和机械对准结构的无源对准，允许使用镊子手动组装而无需额外的对准工具。此外，波导器件的制造和光纤安装使用标准PCB制造和封装工艺，消除了冗余工艺。因此，可以得出结论，所提出的耦合方法非常适合大规模制造。

波导和耦合结构的几何形状如图6所示，制造的直波导平均宽度为50μm，平均高度为52μm。波导脊的平均高度为90μm，波导脊之间提供了一个近130μm宽的间隙，以容纳直径为125μm的裸光纤。

图7a中显示了组装系统的横截面。可以看出，波导脊紧密地对准阵列光纤，将它们准确地定位在波导前，底部包层和光纤表面之间没有任何间隙。此外，光纤的侧面紧密附着在波导的侧脊上，光纤和凹槽之间的间隙填充有胶水，没有发现气泡。为了评估工艺精度，还测量了光纤芯从设计理想位置的位移量。相应的结果如图7b所示。从横截面检查来看，所有位置在X和Y轴上均在4μm半径圆内，这表明所提出的无源对准方法可以在多达12通道的波导阵列上对准多根光纤。图7c说明了插入光纤与相关耦合波导端面之间在水平和垂直方向上的失准与损耗的关系。发现对于垂直和水平方向上高达5μm的失准，归一化功率损耗保持在0.1dB以内。

为了通过实验阐明该方法的优越性，测量并比较了有源耦合和无源耦合的插入损耗。 8 个带状光纤共 96 个通道的无源耦合的插入损耗，结果如图 9 所示，平均插入损耗为 - 2.41dB，而有源耦合的插入损耗略低，为 - 2.28dB，只有 0.13dB 的额外损耗。先前的工作表明聚合物波导的传播损耗为 0.15dB/cm。鉴于聚合物波导样品的长度为 150mm，传播损耗预计为 - 2.25dB。因此无源耦合的平均耦合损耗约为 0.1dB，这与其加工公差测试的结果非常吻合。

为了确保端接器件能够承受环境和机械应力，我们根据 Telcordia GR - 1221 - CORE 标准对波导器件进行了热冲击循环测试（ - 55 至 125℃）和高湿度 / 温度测试（85℃/85% 相对湿度）。热冲击循环测试持续 400 小时，温度斜率为 10°C/min，每个循环持续 30 分钟。热冲击循环测试后，测量并记录了 12 个通道的波导平均插入损耗。随后，将器件放置在另一个温度测试室中进行高湿度 / 温度测试。在高湿度 / 温度测试期间，器件在 85℃和 85% 相对湿度下暴露 168 小时。在测试前后进行了传输测量。图 10 显示，在 400 小时热冲击循环测试后，850nm 处测量的光损耗没有显著恶化。实际上，平均插入损耗从 - 2.41dB 降至 - 2.52dB。此外，在随后的 85℃/85% 相对湿度测试中，所有 12 个通道的插入损耗又平均降低了约 - 0.15dB。测试后样品中未观察到开裂或分层，表明组装牢固，即使在恶劣的外部条件下，光学器件也具有长可靠的使用寿命。