在光子晶片快速發展的今天，如何實現晶片之間、晶片與光纖之間的高效互連，一直是業界面臨的重大挑戰。傳統的封裝工藝不僅成本高昂，而且對準精度要求極高，成為制約光子積體電路規模化應用的瓶頸。而一項基於3D奈米列印的創新技術——光子引線鍵合（Photonic Wire Bonding, PWB）正在為這一難題帶來突破性的解決方案。

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光子晶片封裝的困境

光子積體電路（PIC）市場正以25.9%的年複合增長率快速擴張，在數據通訊、3D感測和量子應用等領域展現出巨大潛力。即便如此，光子晶片的封裝和組裝依然面臨著挑戰。

不同光學平台之間的模場尺寸差異巨大，單模光纖的纖芯直徑約為10微米，而矽基光子波導僅為1微米左右。這種顯著的尺寸差異要求極高的對準精度，傳統封裝方法往往需要複雜的微光學元件和精密的裝配工藝。

更關鍵的是，封裝成本佔據了光子集成系統總成本的70%以上。這一高昂的成本嚴重制約了光子晶片技術的大規模商業化應用。

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PWB技術：3D奈米列印的創新應用

光子引線鍵合（PWB）技術基於雙光子聚合（Two-Photon Polymerization, TPP）的3D奈米列印工藝，為光子晶片互連提供了革命性的解決方案。

這項技術的工作原理是：利用飛秒雷射在光敏樹脂中進行高精度的三維列印，直接在晶片和光纖之間「搭建」出聚合物光波導。這些微米級的光波導就像電子晶片中的金線鍵合一樣，實現了光訊號的高效傳輸。

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技術突破：從理論到實踐

近期發表在《Materials》期刊上的研究展示了PWB技術的最新進展。研究團隊開發了一種創新的原位多物理場測量方法，能夠在掃描式電子顯微鏡（SEM）中同時監測PWB的力學性能和光學傳輸特性。

這項研究揭示了PWB結構設計的關鍵要素：

• 幾何優化： 通過精確控制錐形結構的尺寸、長度和鍵合部分的曲率半徑，可以顯著降低光學損耗。研究表明，當錐形寬度為14微米、長度為75微米、鍵合曲率半徑大於30微米時，可實現最優的光傳輸性能。
• 力學韌性： PWB不僅需要低光學損耗，還必須具備足夠的機械強度以承受後續工藝過程。實驗發現，曲率半徑較小的光子引線具有更好的彈性恢復能力，即使在20微米的垂直壓縮後也能完全恢復原狀。
• 光學可恢復性： 更令人振奮的是，研究證實了PWB在彈性形變範圍內的光學損耗是完全可逆的。當外力撤除後，光波導不僅能恢復原始形狀，其光學傳輸性能也能完全恢復，這為PWB在實際應用中的可靠性提供了重要保障。

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產業應用前景

PWB技術已在多個領域展現出實際應用價值：

• 在光通訊領域，PWB為高密度光互連提供了理想方案，能夠在緊湊空間內實現多通道並行傳輸。
• 在量子光子學中，PWB的低損耗特性對於單光子級別的訊號傳輸至關重要，為量子計算和量子通訊的發展奠定了基礎。
• 在光電集成方面，PWB技術能夠實現雷射器、調製器、探測器等不同功能器件之間的高效互連，推動異質集成技術的發展。

超奈科技：推動PWB技術產業化

作為3D奈米列印技術的先行者，超奈科技致力於將PWB等先進技術推向產業化應用。我們擁有行業領先的3D奈米列印設備和完整的工藝解決方案，為光子晶片封裝提供從設計優化到批量生產的全流程服務。

我們的技術優勢包括：

• 超高精度列印： 採用先進的面投影技術，實現奈米級解析度的3D結構製造
• 完善的工藝支持： 提供從材料選擇、結構設計到性能測試的全方位技術服務
• 產業級可靠性： 確保產品滿足嚴格的工業應用標準

展望未來

隨著光子晶片技術的不斷發展，對封裝互連技術的要求也在持續提升。PWB技術憑藉其獨特的優勢，有望成為下一代光子積體電路封裝的主流方案。

未來，隨著列印精度的進一步提升、新型光學材料的開發，以及自動化生產流程的完善，PWB技術將在以下方向取得更大突破：

• 實現更低的光學損耗（<0.5 dB）
• 支持更大規模的並行互連
• 擴展到更寬的波長範圍
• 降低生產成本，提高產量

超奈科技將持續投入PWB等3D奈米列印技術的研發和應用推廣，與產業界和學術界攜手，共同推動光子晶片封裝技術的革新，為光通訊、人工智慧、量子計算等前沿領域的發展貢獻力量。

我們相信，3D奈米列印技術不僅將解決光子晶片互連的難題，更將開啟光子集成技術大規模應用的新紀元。

參考資料：

Lei, Y., et al. (2024). In Situ Multiphysical Metrology for Photonic Wire Bonding by Two-Photon Polymerization. Materials, 17, 5297.

Vanguard Automation. Next Generation Photonic Integration and Packaging Solutions with Photonic Wire Bonding.