光子引线键合（PWB）：芯片光互连的新兴解决方案

在高性能计算与数据中心快速发展的背景下，芯片间数据传输的带宽与功耗问题日益突出。传统的电互连技术在面对不断增长的数据吞吐需求时，逐渐暴露出信号损耗、串扰和热耗散等方面的局限。光子引线键合（PWB）作为一种基于聚合物波导的三维光互连技术，正逐步进入研究视野，为芯片级与板级光互连提供了一种具备灵活性的替代方案。

技术原理

PWB的核心思路，是利用飞秒激光直写技术在特定衬底上制备聚合物材质的导光结构，实现不同光子芯片、激光器或探测器之间的低损耗光学连接。该过程通常包括以下关键步骤：

材料选择：采用具有合适折射率与透过窗口的光敏聚合物材料，如折射率可调的光刻胶。

激光直写：通过飞秒激光在聚合物内部诱导双光子聚合，将所需的三维波导结构按预设路径写入材料中。

显影与后处理：去除未曝光的部分，留下聚合物波导作为光子引线。

该方法的独特之处在于，波导路径可以在三维空间内自由弯曲，无需依赖预先设计的光纤阵列或透镜耦合系统。

技术优势与应用前景

相较于传统的光纤端面耦合或光栅耦合方法，光子引线键合具备若干值得关注的特点：

耦合效率可控：通过优化波导模场分布与芯片端面模式的匹配，可实现低于1dB的耦合损耗。

对准容差较好：波导端面可直接成形以匹配芯片光口尺寸，降低了对亚微米级高精度贴装设备的依赖。

三维灵活性：可在不同高度、不同朝向的光端口之间建立连接，简化封装流程。

环境适应性：聚合物波导具有一定的机械柔顺性，有助于缓解热膨胀失配带来的应力影响。

在应用层面，PWB技术已被探索用于硅光收发模块、光计算芯片互连以及多芯片封装中的光时钟分布等场景。有研究团队展示了包含多个硅光芯片的PWB集成模块，实现了数十Gbps数据率的光链路。

当前挑战与展望

需要指出的是，光子引线键合技术仍处于发展初期，存在若干有待解决的问题。

首先是聚合物材料的光学稳定性问题。长期承受光功率、环境温湿度循环以及紫外辐射后，部分聚合物材料可能出现折射率漂移或光吸收增加的现象，影响链路可靠性。

其次是制备通量限制。飞秒激光直写本质上是串行加工过程，对于包含数百条光子引线的大规模集成场景，加工时间可能成为制约因素。业界正在研究并行曝光或多光束并行加工等提速方法。

总体而言，光子引线键合作为一种灵活的光互连方式，在解决异构集成、光学封装等环节中展现出应用潜力。随着材料体系优化与加工工艺的演进，该技术有望在光互连领域找到适合自身特点的应用位置，但距离大规模产业化仍需持续的技术积累。