简介
集成光电子系统技术的进步使得光电子器件和系统的发展日益复杂，每种器件和系统都有独特的装配（assembly)要求。本教程对大家介绍 2024 年国际集成光电子系统路线图（IPSR-I）中概述的光电子系统技术组装领域的主要挑战和新兴解决方案。路线图的贡献者名单如下。
光电子器件组装的重要性
光电子器件组装是设备制造的关键环节，涉及各种组件的集成，如光纤、波导、激光器和探测器，以创建功能性光学系统。组装过程直接影响这些设备的性能、可靠性和成本效益。
IPSR-I 路线图对四个关键模块的组装需求进行了分类： 互连器件（包括收发器）、光学传感器、三维成像激光雷达和光子射频。每个模块都有独特的装配要求，如装配章节紫色砖墙 （pbw) 图（图 1）所示。
PBW（Purple Brick Wall)概念定义了已知装配流程无法再有效满足技术要求的点，突出了进行重大创新以克服这些障碍的必要性。
装配流程和关键指标
光电子器件的组装涉及多种工艺，包括光纤到边缘发射器耦合、光纤阵列到边缘发射器对齐、光纤到 pic 集成以及微光学组件集成。下表（1）概述了每个模块的具体组装需求。
表 1：模块组装需求
光电子器件组装的关键指标可分为四个主要方面：
1.成本：包括每个器件的成本、每对有源光纤的成本、每个部件的成本、每个组装工时的成本以及每公斤材料或能源消耗的成本。
2.产量：包括每小时单位数、产量、部件数和装配步骤数。
3.光耦合损耗：包括光纤到激光器或探测器接头、光纤到光纤接头以及光纤到波导接头的损耗。
4.性能和技术参数：包括每摄氏度的光频偏移、每摄氏度的损耗增加、湿度增加百分比的损耗、热阻、接头强度和单位面积的热耗散。
这些指标在不断变化，其趋势包括每年传输的数据量增加 25%-50%，每比特能耗持续降低，单位面积数据密度提高。
表 2：关键指标
应对挑战： 当前和未来的组装技术
当前的组装成本挑战主要围绕单模光纤与光源和探测器的对准，这一工艺近年来得到了大量投资和开发。虽然这些工艺已经非常成熟，但在性能、降低成本和可扩展性方面仍有优化空间。
为了应对这些挑战，IPSR-I 路线图确定了几项关键技术需求：
1.材料系统：
- 能在低温（< 85°C）下快速固化并在高温（> 250°C）下保持刚性的有机光学连接材料
- 具有相似热膨胀系数 （CTE) 的材料，以最大限度地减少热失配。
2.增材制造：
- 开发体素尺寸从相对较大（1 毫米³）到亚微米（0.001 微米³）的三维打印技术，以实现光学组件和器件的制造。
- 在单个器件中沉积多种材料，包括电子导体，以实现光电子功能的集成；
3.转移组装：
- 利用拾放技术将来自不同源晶圆的多个芯片同时放置到一个基板或器件上。
4.组装工具：
- 利用先进的成像技术，如电子束或 X 射线系统，提高贴装工具的精度，使其超过目前 1 微米的限制。
- 开发处理大型面板的专用设备，并采用转移组装技术
组装的未来： 原位制造和新兴技术
IPSR-I 路线图表明，未来的装配可能会从制造单个组件然后进行装配的传统方法转变。路线图探索了原位制造技术的潜力，如三维打印和超材料结构，以直接制造功能性光学设备，而无需进行大量装配。
超材料（meta materials)前景广阔，有可能缩小光学器件的尺寸并增强其功能。路线图概述了超器件开发，每种元器件都有一个设计指南，说明其光学功能、几何结构和材料特性。
另一项新兴技术是利用双光子聚合技术直接在器件内形成光波导和元材料，从而可能消除对传统组装工艺的需求。
路线图还强调了光学器件热控制日益增长的重要性，因为温度变化会严重影响高速和高精度光子系统的性能。应对这些热管理挑战是未来发展的另一个关键领域。
建议和关键基础设施需求
IPSR-I路线图强调了现有装配技术持续渐进改进的重要性，以及可能对行业产生重大影响的重大飞跃和进步的潜力。
近期的组装基础设施需求包括：
1.改进组装工具，使其具有亚微米对准能力、更快的速度和处理更小零件的能力。
2.更好的非金属连接材料，能在低温下固化，在高温下保持高模量，并表现出更好的热稳定性和时间稳定性。
此外，路线图还强调了半导体材料（如 SiGe、InP 或 GaAs）进步的必要性，以克服硅基 CMOS 电子器件的性能限制。
路线图还强调了供应链地域多样化对减少潜在中断的重要性，以及人工智能和计算机辅助工艺设计在加强组装工艺优化和模拟方面日益重要的作用。
结论
2024 IPSR-I 路线图概述了光电子系统组装当前和未来面临的挑战，强调了这环节在先进光学设备和系统开发中的关键作用。通过解决已确定的技术需求和探索新兴解决方案，光子行业可以继续推动创新，充分释放集成光电子系统的潜力。
参考文献
[1]D. Otte, Y. Qian, et al., "2024 Integrated Photonic Systems Roadmap - International (IPSR-I), Assembly," 1 March 2024.
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