Корпуси для фотонних ІМС та пристроїв

Останніми роками фотонні або оптичні ІМС та пристрої фотоніки показують швидкий розвиток завдяки постійному зростанню попиту на високош- видкісну передачу даних, засоби зондування, ме­дичні прилади, оборонні програми та інші. Оскільки фотонні інтегральні схеми стають все більш склад­ними, проблема корпусів для таких ІМС стає все більш критичною. У цій статті розглянуто різні аспекти корпусів для інтегрованих фотонних при­строїв, включаючи волоконний зв’язок, лазерну та електронну інтеграцію, управління температурою та особливості проєктування таких засобів.

П. О’брайен

На сьогодні галузь ІМС для фотоніки переживає величезний розвиток. Фотонні інтегральні мікросхе­ми стають все більш складними, проблема проєкту- вання корпусів цих пристроїв стає все більш критич­ною. Корпуси відіграють важливу роль у забезпе­ченні належного функціонування, надійності та жит­тєздатності інтегрованих фотонних пристроїв.

Оптична інтеграція або оптичне з’єднання. Однією з головних проблем корпусів ІМС фотонних пристроїв є забезпечення ефективного зв’язку між субмікронними хвилеводами ІМС та оптичним во­локном. Існує два основні підходи до з’єднання волокон або пристроїв оптичного зв’язку між волокном і кристалом: крайове з’єднання, яке забезпечує зв’язок світла у площині за рахунок прямого вирів­нювання між волокном та гранями інтегрованого хвилеводу; та ґратчасте або решіткове з’єднування, при якому оптичне волокно розташоване перпенди­кулярно площині кристала, рис. 1, 2.

Рис. 1. Оптичне з’єднання

Рис. 2. Оптичне з’єднання волокна з кристалом

Крайове з’єднання є досить простим, але вима­гає точного вирівнювання та часто призводить до високих втрат через невідповідність мод між волок­ном і хвилеводом.

Решіткове з’єднання передбачає використання структури дифракційної решітки у фотонній ІМС для вертикального з’єднання потоку світла між хвилево­дом і оптичним волокном. Цей підхід забезпечує по­слаблення допусків на центрування та, як правило, може забезпечити менших втрат на зв’язок. Однак це вимагає ретельного проєктування та виготовлен­ня спеціальної конструкції решітки.

Дослідники з Tyndall National Institute розробили методику ефективного з’єднання решіток за допо­могою полірованих під кутом волокон. Ця технологія забезпечила низькі внесені втрати до 1 дБ ± 2 мкм у широкому діапазоні довжин хвиль для кремнієвих фотонних хвилеводів.

Для з’єднання волокон з високою щільністю во­локонно-матричні масиви можна з’єднувати з фо­тонною ІМС за допомогою методу складання фліпчі- пів (метод складання фліпчіп – це метод переверну­того чіпу). Цей підхід передбачає точне вирівнюван­ня та приєднання волоконного масиву до фотонної ІМС з використанням методу активного вирівнюван­ня та застосуванням спеціалізованого технологічно­го обладнання, рис. 3.

Рис. 3. З’єднання оптичної матриці з кремнієвим кристалом

Багато інтегрованих фотонних проєктів вима­гають інтеграції лазерних джерел із фотонними ІМС. Ця інтеграція створює кілька проблем, зокрема точ­не оптичне вирівнювання, управління температурою та електричне з’єднання. Один із підходів до лазер­ної інтеграції передбачає використання кулькових лінз і оптичних отворів, рис. 4, 5. Кулькові лінзи по­винні бути точно вирівняні та встановлені на фотон­ну ІМС, а оптичні отвори забезпечують шлях для вертикального з’єднання лазерного променя з ІМС.

Рис. 4: Оптичне з’єднання ІМС з лазером

Для інтеграції лазерів з фотонною ІМС можна ви­користовувати спеціалізоване обладнання, яке за­безпечує електричні з’єднання, управління темпе­ратурою та відповідні оптичні шляхи для ефективно­го з’єднання лазера, рис. 5.

Рис. 5. Спеціалізоване обладнання для з’єднання лазера з фотонною ІМС

Дослідники з Tyndall National Institute розробили гібридну інтеграцію лазера (з регульованою довжи­ною хвилі) з кремнієвою фотонною ІМС, рис. 6.

Рис. 6. Технологія з’єднання лазера з фотонною ІМС

Більшість інтегрованих фотонних пристроїв по­требує електронних компонентів для управління, модуляції та контролю. Інтеграція звичайних ІМС з фотонними ІМС є важливою для створення функціо­нально завершених та компактних систем. Один із підходів до такої інтеграції включає методи складан­ня типу фліпчіп, де звичайні ІМС з’єднуються з фо­тонними ІМС. Такий підхід забезпечує високу щіль­ність електричних з’єднань і дає можливість створи­ти спільний корпус для розміщення в ньому як фо­тонних, так і електронних компонентів, рис. 7.

Рис. 7. Об’єднання електронних та оптичних компонентів у фотонній ІМС

Спеціалізовані багатошарові друковані плати можна використовувати для маршрутизації електричних сигналів і надання додаткових функцій, та­ких як управління температурою. Спеціальна техно­логія з обладнанням для безфлюсового паяння по­казана на рис. 8.

Рис.  8. Спеціальна технологія безфлюсового паяння

Управління температурою має вирішальне зна­чення для підтримки продуктивності та надійності роботи фотонних ІМС. Такі методи, як термоелек­тричні охолоджувачі і активне охолодження з вико­ристанням радіаторів або рідинних каналів, можуть бути використані для розсіювання тепла та підтримки оптимальної робочої температури фотонних ІМС і відповідних електронних компонентів. Приклади та­ких пристроїв наведені на рис. 9.

Рис. 9. Плати з фотонними ІМС і температурним контролем

Унікальні можливості інтегрованої фотоніки від­криваються у медичній галузі в приладах для діагно­стики. Одним із таких застосувань є розробка аналі­заторів кровотоку з використанням оптичних воло­кон, вбудованих у судини. На рис. 10 наведені ком­панії, які виробляють медичні прилади на основі фо­тонних ІМС, наприклад, для доплеровських дослід­жень судин та визначення жорсткості та наявності стенозу судин, рис. 10.

Рис. 10. Інтеграція фотонних ІМС у медичні пристрої виробництва різних компаній

Дослідники з Tyndall National Institute розробили інноваційні методи інтеграції оптичних волокон, збе­рігаючи при цьому необхідну гнучкість і розміри для моніторингу стану кровоносних судин. Ці пристрої дозволяють у режимі реального часу контролювати кровообіг і можуть допомогти в діагностиці та ліку­ванні судинних захворювань, рис. 11.

Рис. 11. Вбудована у стегнову артерію фотонна ІМС для дослідження стану судин

Оскільки інтегровані фотонні пристрої стають складнішими, потреба в стандартизованих інструк­ціях і настановах, засобах проєктування та відповідних послугах для розробників фотонних ІМС стає важливою та актуальною. Об’єднання європейських підприємств інтегрованої фотоніки (European Integ­rated Photonics Foundries) пропонує комплексну платформу для надання послуг з проєктування та виготовлення фотонних ІМС, включно їх корпусів. Основні підприємства цього об’єднання наведені на рис. 12.

Рис. 12. Європейські підприємства з виробництва фотонних ІМС

Комплекти апаратно-програмних засобів для проєктування та відповідні інструкції з проєктування фотонних ІМС мають важливе значення для забез­печення сумісності кристалів фотонних ІМС з корпу­сами, включно процеси складання кінцевого виробу. Ці інструкції охоплюють такі аспекти, як з’єднання волокон, електронну інтеграцію, засоби управління температурою тощо. Дотримуючись рекомендацій цих інструкцій та використовуючи послуги та наста­нови Об’єднання європейських підприємств з інтег­рованої фотоніки, розробники фотонних ІМС мають змогу уникнути коштовних і трудомістких проблем із виготовлення корпусу такої ІМС та спростити шлях кінцевого виробу від ідеї до ринку .

ВИСНОВКИ

Розробка корпусу фотонної ІМС є критично важ­ливим аспектом, який дозволяє реалізувати високо­продуктивні, надійні та життєздатні фотонні прилади та системи. У статті розглядаються різні аспекти розробки фотонних ІМС, а саме проблеми з’єднан­ня волокон, лазерна інтеграція з електронними ком­понентами, управління температурою, приклади медичних пристроїв на основі фотонних ІМС, про- єктування корпусів, а також перелік послуг включно інструкції та настанови з проєктування, які можна отримати від Об’єднання європейських підприємств з інтегрованої фотоніки. Оскільки галузь фотонних ІМС досить швидко розвивається, оптимізація кор­пусів таких ІМС відіграватиме важливу роль у роз­критті повного потенціалу кінцевих пристроїв для широкого спектру застосування, а саме у засобах телекомунікацій, оптичних датчиках, медичній та оборонній апаратурі тощо.

ЛІТЕРАТУРА

1. Packaging of micro-lens arrays to photonic in­tegrated circuits using beam shape evaluation. Kamil Gradkowski, Padraic E. Morrissey and Peter O’Brien. https://www.researchgate.net/publication/381709770 _Packaging_of_micro-lens_arrays_to_photonic_inte- grated_circuits_using_beam_shape_evaluation