#电光聚合物 #电光调制器 #光电集成
摘要——本文介绍了一种采用有机-无机杂化树脂、基于Mosquito法制备的低损耗单模聚合物波导，该方法具有很高的设计灵活性。该渐变折射率圆形芯波导在1310 nm波长下的传播损耗为0.22至0.35 dB/cm，接近材料固有损耗。通过8 cm长的波导进行106 Gb/s（53 Gbaud PAM4）传输，展示了清晰的眼图，且TDECQ没有劣化。此外，基于流体动力学分析，成功实现了间距为20 μm的四芯阵列，突破了针头外径所施加的表观限制。实验证实，在这种窄间距波导中，具有足够低的芯间串扰。这些结果表明，所提出的波导是共封装光学模块中光重布线层以及基于芯粒系统中芯片到芯片互连的一个有前景的平台。
关键词——共封装光学，Mosquito法，单模聚合物光波导，光纤-芯片耦合，扇入/扇出波导
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文章名：Low-Loss Polymer Waveguide Device for Fiber-to-Chip and Chip-to-Chip Connection
作者：Kai YOKOYAMA、Haruka NAKAJIMA、Takaaki ISHIGURE
单位：Graduate School of Science and Technology, Keio University Yokohama, JAPAN
I. 引言
在过去的几十年里，光纤链路已广泛部署，甚至在数据中心内部网络中也得到了应用，以实现更高的数据传输速率，同时保持低功耗。在此类系统中，单模光纤（SMF）与基于光子集成电路（PIC）的光收发器耦合，这些收发器在共封装光学（CPO）模块中集成了硅波导。然而，SMF与硅波导之间的直接耦合不可避免地会遭受显著的连接损耗，这主要是由于模场直径（MFD）的不匹配。为了减轻这种耦合损耗，人们提出了模斑转换器（SSC）。值得注意的是，IBM团队最近展示了一种基于聚合物波导的SSC，可用作绝热耦合器[1]。
此外，芯粒技术作为实现更高计算速度、更低功耗和成本的一种有前景的方法，近年来获得了广泛关注。基于这一趋势，光学芯粒的概念应运而生，其中引入光互连以实现高带宽、高能效的芯片到芯片通信。在这些应用中，聚合物波导有望实现芯粒之间高带宽密度的短距离互连。尽管如此，已报道的基于光刻技术的绝热耦合器在芯层横截面几何形状和布线布局方面受到固有约束，限制了其设计灵活性和性能可扩展性。
与此同时，我们开发了Mosquito法作为聚合物光波导的制造方法。我们还提出了一种紧凑且低损耗的SSC，由采用Mosquito法制备的锥形渐变折射率（GI）圆形芯聚合物波导组成[2,3]。
在本文中，我们制造了一种低损耗单模聚合物光波导，能够在1.31 μm波长下、在8 cm长度内支持106 Gb/s（53 Gbaud PAM4）传输。该波导在O波段（1.26-1.32 μm）具有宽的低损耗窗口，可实现4到8波长的波分复用传输，有望解决光纤到芯片耦合中的 shoreline 密度问题。
同时，如果为了增加 shoreline 密度而密集排列这些芯层，通道间的串扰将成为主要问题。因此，我们还使用相同的低损耗芯层聚合物材料，形成了间距小至20 μm的四条平行芯层。虽然这种低数值孔径（~0.2）的窄间距波导会因模式耦合而遭受严重的通道间串扰[4]，但我们通过实验证明，通过选择合适的包层材料增加波导数值孔径，可以显著降低串扰。因此，我们展示了一种低损耗单模聚合物波导，能够在O波段（1.26–1.32 μm）支持5–10 cm长度上的106 Gb/s传输。除了低传播损耗外，我们还研究了面向ORDL应用的高密度芯层集成。制备了间距为20 μm的四芯阵列，并评估了其芯间串扰特性。所提出的技术为CPO中的光纤到芯片耦合以及芯粒架构中的芯片到芯片通信提供了一种实用的互连解决方案。
II. Mosquito法
使用Mosquito法的波导制造过程如图1所示。首先，如图1(a)所示，将液态包层单体涂覆在附着于玻璃基板上的硅橡胶片框架内。接下来，如图1(b)所示，将芯层单体注入连接到微分配器的注射器中。将注射器针头尖端插入包层单体中，在沿所需芯层图案扫描的同时分配芯层单体。最后，如图1(c)所示，通过紫外光照射同时固化芯层和包层单体。该方法通过控制针头的扫描轨迹，可以轻松形成任意三维芯层布线。
图1 采用Mosquito法的波导制备流程
此外，该方法能够形成渐变折射率（GI）圆形芯层。这是通过在未固化的芯层和包层单体之间的相互扩散实现的，该扩散发生在芯层分配（图1(b)）和开始紫外曝光（图1(c)）之间的间隔时间内。这种扩散过程产生了单体浓度梯度，从而形成具有GI分布的圆形芯层。
III. 低损耗单模聚合物光波导的制备
首先，使用Mosquito法制备了具有满足单模条件的直芯和平行芯阵列的波导。分别使用OrmoCore和OrmoClad（来自micro resist technology GmbH）作为芯层和包层材料，它们是硅酸盐基有机-无机杂化树脂。制备条件如表I所示。
表I 制备条件
图2 所制备波导的横截面视图
图2展示了所制备波导的横截面图。可以确认，三个小直径（约6 μm直径）的芯层以500 μm的设定间距排列。
图3 测量装置 (a) 近场图案（NFP）测量 (b) 插入损耗测量
随后，使用图3所示的测量装置测量了波导的近场图案（NFP）和插入损耗。
图4 插入损耗测量装置的照片
图4显示了使用图3(b)装置实际测量波导插入损耗的照片。波导长度约为8 cm（79 mm）。
测量结果汇总于表II。根据NFP，测得所制备波导的模场直径（MFD）为7.8 μm（水平（H）和垂直（V）测量结果的平均值），略小于SMF28，接近数据中心用抗弯曲SMF PA-A2的MFD。
表II 所制备波导的近场图案（NFP）与插入损耗
此外，可以确认该波导在1310 nm波长下仅传播基模（LP01）。如表II所示，该波导在1310 nm波长下的插入损耗为3.8 dB。如图3(b)的测量系统所示，该插入损耗包括波导输入端与SMF（PA-A2）的连接损耗以及两端菲涅耳反射造成的损耗。估计这些连接损耗和菲涅耳反射损耗的总和为1至2 dB，则扣除耦合损耗和菲涅耳反射损耗后，估计传播损耗在0.22至0.35 dB/cm范围内。该值接近于Ormocer材料的固有吸收损耗（~0.23 dB/cm），Ormocer是一种有机-无机杂化树脂，与其它碳氢基有机聚合物相比，其每单位体积的碳-氢（C-H）键数量更少，特别是脂肪族C-H键。对于一般的阶跃折射率波导（通过芯-包层边界的全内反射将传播模式限制在芯层内[6,7]），由于芯-包层边界的粗糙度会增加额外的散射损耗，传播损耗包括材料特定损耗加上波导结构特定损耗。相比之下，如第二节所述，通过Mosquito法制备的波导具有GI分布的芯层，传播模式通过这种折射率分布引起的光折射而被限制在芯层内。因此，可以说波导结构特定的散射损耗（在芯-包层界面）被最小化，从而获得了本文结果中显示的低插入损耗。我们之前已成功使用日产化学公司的有机-无机杂化树脂（SUNCONNECT®）制备了具有类似低传播损耗的GI型单模芯层[4]。然而，在本文中，我们证明了即使使用不同的有机-无机杂化树脂Ormocer，也可以制造出类似的低损耗单模聚合物波导。
图5 眼图测量装置
因此，使用图5所示的测量装置，利用这种低损耗波导在1310 nm波长下进行了106 Gb/s（53 Gbaud PAM4）信号传输测试。测得的眼图如表III所示。尽管有机聚合物波导在1310 nm波段存在材料特定吸收损耗的显著影响，但在通过8 cm长的波导传输后，仍能观察到清晰的眼图。与插入波导前相比，波导传输后的TDECQ值没有观察到劣化，证明了106 Gb/s传输的可能性。
表III 眼图测量结果
IV. 窄间距芯层排列
许多机构不仅在研究聚合物光波导，也在研究用其他无机材料制备的平面波导，以期应用于CPO技术。特别是，许多研究试图在这两种器件之间插入具有MFD转换（模斑转换）功能的平面波导，以减少硅光子芯片（PIC）与光纤阵列单元（FAU）之间因MFD不匹配造成的连接损耗。然而，由于模斑转换功能也已在PIC侧实现，因此可以实现PIC与SMF之间相对低损耗的对接耦合。因此，对于将平面波应用于CPO，除了SSC功能外，光重布线层功能——特别是扇入/扇出功能——的需求日益增长。事实上，许多机构关于具有高密度阵列（PIC侧，间距约20 μm）和低密度阵列（FAU侧，间距125-250 μm）扇出结构的聚合物波导和玻璃光波导的报道正在增加[1,8,9]。为此目的利用平面波导，关键在于当平面波导插入PIC和FAU之间时，损耗能够保持在与PIC和FAU直接连接相同或更低的水平。此外，要求在高密度阵列平面波导的PIC侧端部附近不会产生过大的串扰。因此，在本文中，我们研究了使用Mosquito法制备窄间距波导的可行性，并评估了窄间距条件下的串扰。
图6 窄间距波导的横截面视图
使用表IV所示的条件，通过Mosquito法制备了间距为20 μm的聚合物光波导。图6显示了所制备波导的横截面照片，图7显示了在图3(a)所示的装置中，通过SMF（PA-A2）将波长为1310 nm的光耦合到一个芯层时观察到的NFP。
图7 当波长为1310 nm的光耦合至其中一个芯层时的近场图案（NFP）
如表IV的条件所示，用于分配芯层单体的针头外径是设定间距20 μm的10倍以上。这常常引起担忧：较早分配的芯层阵列可能会被用于分配相邻芯层的多次针头扫描所干扰。然而，我们通过流体分析揭示，即使以20 μm这样极窄的间距分配芯层单体，较早分配的芯层也不会被下一次相邻芯层分配的针头扫描所干扰。相反，先前分配的芯层单体会绕着针头的外圆周流动，从而避开干扰，并且在针头通过后，先前分配的芯层几乎会回到其原始位置。因此，无论针头外径如何，都可以并行形成窄间距芯层，并且可以确认形成了间距小至20 μm的4芯阵列结构。
此外，从图7可以看出，除了被耦合光的芯层之外，其他三个芯层没有观察到光发射，表明即使在7.5 cm传输后仍保持足够低的串扰。这归因于OrmoCore和OrmoClad之间足够大的折射率差，该折射率差将传播模式强有力地限制在芯层内（倏逝场分布更窄）。目前，使用这种材料组合，我们正在制备波导末端间距分别为20 μm和127 μm的扇出结构，以减少弯曲引起的损耗。此外，我们的目标是制造间距更窄的10 μm波导。
V. 结论
在本文中，我们展示了使用Mosquito法制备的低损耗单模GI芯层聚合物波导。在1310 nm波长下实现了0.22 - 0.35 dB/cm的传播损耗和8 cm长度上的106 Gb/s（53 Gbaud PAM4）传输。此外，尽管存在针头直径的限制，我们仍成功制备了间距为20 μm、串扰可忽略的四芯阵列。这些结果突显了Mosquito法在实现高密度ORDL和芯粒互连应用方面的适用性。
