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图1：SABIC公司及Tyndall National Institute结合开发的外貌光栅耦合器演示装配。（图片来历：SABIC与Tyndall National Institute）

人工智能（AI）、物联网（IoT）、5G 收集和相干数字技能的快速成长，正鞭策数据流量之前所未有的速率激增，这对于更快的传输速度及更年夜的带宽容量提出了新的需求。传统的电子互连技能已经经难以满意当前所需要的数据速度与密度要求。对于此，电信行业正于加快研发高机能、高能效且具有可连续性的光数据通讯体系。

共封装光学器件（CPO）是一种极具远景的解决方案，它可以替换可插拔光模块，将光学元件集成到印刷电路板（PCB）上，使其接近或者直接邻接专用集成电路（ASIC）互换器或者其他电子集成电路（IC）。经由过程将光电数据转换环节尽可能接近数据中央内的ASIC 互换器，CPO 能显著晋升带宽，并年夜幅提高数据中央的能源效率。

然而，将光学接口集成到芯片或者光子集成电路（PIC）中，也碰面临新的挑战。最要害的一点是：任何光学元件都必需要蒙受 PCB 组装历程中回流焊环节的高温，该温度可达 260 C。这极年夜地限定了可用在制造这些光学元件（特别是透镜）的质料选择。

怎样高效地将光耦合进出PIC、光纤及传感器，已经经成为一项焦点挑战。解决方案之一是采用微透镜阵列（MLA），它由摆列于基板上彀格内的多个小型透镜（微透镜单位）构成。微透镜阵列不仅可以或许撑持非接触式自由空间光学接口，同时还有能实现高效光耦合。但要阐扬其年夜范围运用的潜力，必需要实现具备热不变性的微光学元件的年夜范围出产与组装。

为微透镜阵列选择最合适的质料

今朝，绝年夜大都微透镜阵列是经由过程刻蚀熔融石英或者硅晶圆制造的。这类晶圆级制造工艺可以或许被严酷节制，可以实现高质量的批量复制。然而，从透镜设计到制品的整个流程，成本昂扬且耗时较长，这拦阻了其年夜范围量产，尤其是于设计繁杂的环境下更是云云。

当透镜外形相对于简朴时，可使用环氧树脂等热固性树脂，但这种质料存于固化时间长、固化后耐热性有限的问题。只管已经经开发了双光子聚合等技能用在打印基在有机聚合物的高分辩率微光学元件，但这些方案于范围化出产、热不变性及/或者折射率规模方面，仍旧存于局限性。

微注塑成型已经经成为微透镜阵列制造的一种革命性的替换方案，该技能可以或许实现繁杂、周详微光学元件的量产，而且于产物一致性、出产速率、可扩大性及成本效益方面，都体现精彩。

微注塑成型技能还有可以小批量出产透镜用在原型建造，无需使用整片晶圆制造透镜。该技能可以注塑肆意厚度的透镜，从而使设计师挣脱了尺度晶圆厚度的限定。此外，该技能更易集成一些其他微光学特性，如基准标志、定位销等。与自动瞄准要领比拟，这些有助在实现被动光学瞄准的集成特性，还有能缩短组装时间，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）及聚碳酸酯（PC），是注塑成型多量量繁杂外形的透镜和透镜阵列的经常使用热塑性树脂。此中，ULTEM 树脂（一种PEI质料）是制造用在可插拔收发器、扩大光束毗连器等器件中的微透镜阵列的首选质料。

制造商于这些热塑性树脂中举行选择时，必需要思量组装工艺的影响。例如，光学元件于回流焊工艺历程中可能会袒露在高温下，是以这种光学元件所选用的质料，必需可以或许于这些热情况下连结尺寸精度。假如光学透镜阵列要于PCB 终极组装前完成装置，那末于回流焊历程中，光学元件将要蒙受 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。

当前面对的一个挑战是：很多热塑性塑料于 260 C 高温下会发生变形或者融化，没法满意利用回流焊工艺组装CPO体系的新要求。为此，SABIC公司研发出 了一种热塑性PI质料 EXTEM RH1017UCL 树脂，来应答上述挑战。这类近红外（NIR）透明树脂的玻璃化改变温度远高在 260 C，从而为业界提供了一种切实可行的质料，可用在年夜范围出产合用在回流焊组装的微光学元件。

热塑性微透镜阵列实现不变的光耦合

SABIC公司研发的PI质料，为光子体系集成提供了可能：它提供了一个高效光耦合平台，即便于湿热老化、热打击等严苛的行业测试中，该平台仍能连结优秀的机能。只管微透镜阵列自己属在被动光学元件，但它们却阐扬着至关主要的作用。经由过程撑持光纤、波导、传感器与光子芯片之间精准且不变的光耦合（纵然是颠末外貌贴装技能（SMT）的回流焊工艺后），这些微透镜阵列冲破了CPO体系现实部署的一个要害障碍，由于它们经由过程扩大光束，提高了封装历程中的瞄准容差。

此外，与直接物理光纤接触体系比拟，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，从而简化组装历程并提高靠得住性。

案例研究 1：用在CPO的光学互连

为了展示注塑成型PI树脂质料于CPO光学互连中的可行性与上风，SABIC公司与Tyndall National Institute（一个专注在集成ICT质料、器件和体系的欧洲研究中央）互助，构建了外貌耦合器及边沿耦合器。于该设计中，微透镜阵列被封装于带有波导环路的PIC上（别离见图1及图 2）。于这个设计中，单模光束于光纤阵列单位及PIC之间举行了扩束。

图 2：SABIC公司及Tyndall National Institute结合开发的边沿耦合器演示装配。（图片来历：SABIC与Tyndall National Institute）

SABIC的新型树脂用在制造兼容单模的微透镜阵列，该阵列包罗 8 个透镜组，间距为 250 m。这些尺寸与光接口中常见的尺度 8 光纤毗连器阵列相匹配。经由过程注塑成型技能以严酷的公役制造这些高精度小型元件，既包管了精度，又兼具多量量成型技能的可扩大性，实现了微透镜阵列制造范畴的一项庞大技能冲破。

为验证实在用性，研究职员使用这些微透镜阵列创立扩束光学元件。利用光学透明粘合剂，将这些扩束光学元件粘于光毗连器接口的双侧，以经由过程更年夜的自由空间光束将光纤阵列耦合到PIC。这类要领放宽了对于横向瞄准容差的要求，并降低了尘埃颗粒等污染物酿成的壅闭危害。

即便颠末屡次 260 C 的回流焊轮回，这些微透镜阵列仍能连结尺寸不变及光学机能无缺。这类不变性对于在集成到基在SMT的电子组装出产线中至关主要。

高效的光纤耦合布局，对于在极高密度的光学输入及输出必不成少。凡是存于两种耦合布局：光栅耦合器及边沿耦合器。这两种布局各有其怪异的优错误谬误，是以，研究团队构建了两种类型的演示器件。经由过程将光纤阵列及PIC别离键合到差别的基座上，对于两种演示器件举行了50次插拔轮回测试。

两种器件均于 25 gigabaud的旌旗灯号速度下，实现了不变的眼图。于 50 次插拔轮回中，每一个耦合器的平均耦合损耗均为 2.2 dB。这些成果到达或者跨越了很多高速光子互连的现实运用要求。

案例研究 2：微透镜阵列的主动瞄准

于年夜大都CPO封装/瞄准历程中，会利用环氧树脂等光学胶粘剂。SABIC与芯片集成技能中央（Chip Integration Technology Center，CITC）互助开发了一种新工艺，其采用一种替换的互连技能用在微透镜阵列的光学瞄准。该工艺需要对于微透镜阵列上与PIC上柔性金属焊盘接触的特定区域，举行金属化处置惩罚。于 SAC305（一种锡-银-铜无铅焊料）回流焊历程中，微透镜阵列与PIC基板会主动瞄准。这类新型光学封装要领可以替换传统的环氧树脂胶粘剂，后者存于持久不变性不足、热膨胀系数（CTE）掉配等错误谬误。

扩展光学阵列的出产范围

采用微成型技能及耐高温的特种热塑性塑料，来扩展光学阵列的出产范围，可以于可接管的成本规模内，实现多量量、可扩大的出产。此外，注塑成型技能还有能集成有助在实现被动光瞄准的特性，与自动瞄准要领比拟，可以或许缩短组装时间并降低成本。

微成型光学元件的其他上风包括：可加快设计立异的快速原型建造；依托成熟的质料特征及成型技能，有望实现光学设计与机能的尺度化。整体而言，这些技能前进将帮忙光通讯及传感行业，更快地向共封装及板载光学器件转型。

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