ECTC 2026 | Sumitomo Electric | Photonic-Electronic Integration on Glass Substrate with Temperature-Stabilized Vertical Optical Coupling by Resin-Encapsulated Collimation Mirror

1天前
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Sumitomo Electric 與 FICT 在 ECTC 2026 解的是「光耦合最怕的對位敏感」問題。一般 PIC 出光模場直徑（MFD）只有 3 µm，差 3 µm 對位就災難性損耗。他們用準直鏡（off-axis 拋物面鏡）把光束擴成 32 µm 準直光，把 3 µm 對位誤差造成的損耗壓到只剩 0.2 dB——而且鏡是用 3D 列印做在 PIC 與玻璃波導基板兩邊的溝槽裡，PIC 用覆晶（FC）鍵合到玻璃上，再灌折射率匹配（n=1.46）的透明樹脂保護。實測 FC 模組耦合效率 −2.30 dB。更關鍵的是：beam-expanding 結構讓它在高溫下仍穩——25→80°C 結構變形下，各點位移最大只有 0.34 µm。一句話：把光束擴大，就是把「對位」與「溫度」這兩個耦合殺手一起馴服。

1. 論文背景：玻璃波導基板上的 PIC 耦合

這篇來自 Sumitomo Electric（住友電工，日本神奈川）與 FICT 的合作，發表於 2026 IEEE 第 76 屆 ECTC。要提高光訊號整合密度，能做 fan-in/out 的光波導基板很有效，而 PIC 連到光波導基板的技術是關鍵。Sumitomo 選玻璃當光波導基板——低 CTE、平整、電光可共存、溫度變化下翿曲小，適合多晶片大規模整合。

玻璃當基板的價值見玻璃基板不再是 PPT 技術：TGV 賽道；而把光纖連接器留在邊緣可拆是 CPO 量產關卡，見可拆卸光纖之爭。

玻璃波導基板上 PIC 的光電整合封裝示意與截面，採準直鏡垂直光耦合。Sumitomo Electric, ECTC 2026 - Fig. 1

2. 核心問題：把整篇論文濃縮成一句話

這篇論文要解決的問題是：怎麼讓 PIC 用覆晶鍵合到玻璃波導基板時，光耦合既能容忍對位誤差、又能在高溫下保持穩定、還能灌樹脂保護。

答案是：用準直鏡把光束擴大（beam expanding），把對位與溫度兩個敏感度一起壓下去。

3. 關鍵圖表逐一解析

3.1 這張圖展示了「把光束擴大就能容忍對位誤差」

這組圖（Fig. 2、Fig. 5）講準直鏡設計。

一般 PIC 的 MFD 只有 3 µm，3 µm 對位誤差就災難性損耗。Sumitomo 用 off-axis 拋物面準直鏡，把輸出光束擴到 32 µm MFD，目標把 3 µm 對位誤差的損耗增加壓到 0.2 dB。鏡做在 PIC 與玻璃基板兩邊的溝槽裡、镀金屬反射層，並可用各鏡曲率補償 PIC 與玻璃波導的 MFD 差異。波長依賴小，可支援約 100 nm 頻寬（適合 CWDM）。模擬 O-band（1260–1360 nm）耦合不均勻 <0.1 dB，計入金反射吸收（每次反射約 2.5%）後整體耦合效率估 −1.1 dB。

3.2 這張圖展示了「覆晶實裝後的真實耦合效率」

這組圖（Fig. 6）是 FC 模組實裝。10 mm 見方玻璃波導基板、溝槽內 3D 列印準直鏡，PIC 用 Au stud bump 熱壓接合到玻璃。實測鏡對位誤差：波導方向 1.6 µm、金屬走線方向 2.3 µm，符合 FC bonder 的 ±3 µm 放置精度。灌入折射率匹配（n=1.46）透明樹脂、真空除泡後，1310 nm 耦合效率 −2.30 dB。在 FC 鍵合不可避免的對位誤差下還能拿到這個耦合，證明 beam-expanding 的容差優勢真的有用。

PIC 覆晶鍵合到玻璃波導基板的 SEM，PIC 與玻璃兩側準直鏡相對；實測 1310 nm 耦合 −2.30 dB。Sumitomo Electric, ECTC 2026 - Fig. 6

3.3 這張圖展示了「高溫下結構還是穩」

這組圖（Fig. 7、Table I）做高溫結構分析。透明樹脂 CTE 通常比底填（UF）大（因透明度要求難加 filler），對溫度敏感。但 beam-expanding 結構讓耦合對微小位移不敏感：25→80°C 變形下，各鏡／波導點位移最大只有 0.34 µm、角度位移最大 0.05°——遠小於 32 µm 擴束能容忍的範圍。這是 beam-expanding 把「溫度穩定」也一起解決的證據。

4. 技術亮點

第一個亮點是用準直鏡把光束從 3 µm 擴到 32 µm，一招同時解兩個耦合殺手：對位（3 µm 誤差只掛 0.2 dB）與溫度（25→80°C 位移 <0.34 µm 不影響）。擴束等於把耦合對「位置」與「形變」的敏感度都大幅放寬。

第二個亮點是整套相容於既有覆晶製程：鏡用 3D 列印做在溝槽裡、PIC 用標準 FC 熱壓接合、灌透明樹脂保護依常規 FC 流程。論文也誠實點出待解：電氣區要 UF、光學區要透明樹脂，兩種樹脂的分區（或開發透明 UF）是未來實用化要過的點。

5. 產業連結：離量產有多遠？誰受益？

距離：這是「FC 模組概念驗證」階段——耦合 −2.30 dB、高溫結構穩定都驗了，但 UF／透明樹脂分區、量產良率還要走。Sumitomo 的後續引用（3D 列印擴束透鏡 ECTC 2024）顯示這是持續推進的路線。

受益者：最直接是玻璃波導基板 + 3D 列印微光學 + 覆晶封裝這條鏈（Sumitomo 是光纖與光元件大廠）；其次是想用「PIC 覆晶上玻璃 + 擴束垂直耦合」的 CPO/NPO 封裝。這套與 KYOCERA 的曲面鏡耦合、Intel 的玻璃耦合器是「降低耦合對位敏感度」的不同流派——擴束 vs 曲面補償 vs 製程鎖死，各擅勝場。

6. 總結

這篇論文該被記住的一句話是：把光束擴大，就是把「對位」與「溫度」這兩個光耦合殺手一起馴服——Sumitomo 用準直鏡擴束到 32 µm，3 µm 對位只掛 0.2 dB、25→80°C 位移 <0.34 µm。 對追蹤 CPO 封裝的人，觀察點是：垂直光耦合方案的競爭力，藏在「擴束後的容差 × 高溫結構穩定 × 與既有 FC 製程相容度」，不是只看耦合損耗。

參考資料

Shingo Nakamura, Yasutaka Mizuno, Kunio Kobayashi 等（Sumitomo Electric）、Mio Emura 等（FICT）、Yoichiro Kurita（Institute of Science Tokyo）, "Photonic-Electronic Integration on Glass Substrate with Temperature-Stabilized Vertical Optical Coupling by Resin-Encapsulated Collimation Mirror," 2026 IEEE 76th ECTC.
Sumitomo Electric Industries, Ltd., Kanagawa, Japan；FICT Limited, Nagano, Japan