光子封装中的热稳定性研究

光子学具有各种优势，包括通过利用光数据通信、生物医学应用、汽车技术和人工智能领域中的光特性来实现高速和低损耗通信。这些优势是通过复杂的光子电路实现的，该电路由集成在光子芯片上的各种光子元件组成。

然后，添加电子芯片以补充光子芯片的某些功能，如光源操作、调制和放大。电子芯片和光子芯片在基板上的紧密集成是光子封装的关键方面。

光子封装在支持电子和光子芯片在电气、光学、机械和热学领域的有效运行方面发挥着至关重要的作用。高效的热管理在紧凑型封装中变得至关重要，其中电子和光子芯片之间的热串扰以及环境温度波动会对光子芯片的性能产生负面影响。

玻璃基板作为电子和光子芯片的共同封装平台被广泛讨论，在这里至关重要，因为它们具有紧凑的形状系数、低电损耗和面板级可制造平台等优点。此外，玻璃基板的导热系数低，有助于减少电子和光子芯片之间的横向热量扩散。

图显示了玻璃基板中的SimTEC架构，SimTEC通孔在电子芯片（EIC）和光子芯片（PIC）的中心区域运行，芯片的外围I/O专用于光子封装中的电气连接。

在玻璃基板中加入玻璃通孔（TGV）可有效散热电子芯片。另一种热管理策略是在芯片下方集成微型热电冷却器（micro-TECs），提供主动温度控制。

在《光学微系统杂志》上发表的一项新研究中，引入了TGV和微TEC技术的组合，称为“基板集成微热电冷却器（SimTEC）”。

SimTEC涉及部分填充铜和热电材料的TGV，确保封装中光子芯片和电子芯片的热稳定性。这项新技术补充了系统级冷却方法。爱尔兰科克大学学院的研究员Parnika Gupta及其同事研究了玻璃基板对分段通孔热性能的影响，并将其与独立微TEC柱进行了比较。他们分析了通孔直径、高度、间距和填充系数对SimTEC冷却性能的影响。

值得注意的是，该技术在封装中提供了精确的热控制，并在芯片倒装键合在玻璃基板上时降低了TEC表面和芯片界面之间的热阻。实验设计（DOE）的模拟表明，最大冷却温度为9.3K，温度稳定范围为18.6K。

该研究还强调，与独立式微TEC单偶的冷却性能变化相比，通孔几何形状的变化导致冷却性能变化提高了六倍。优化热电材料性能有可能提高未来SimTEC集成架构的性能。

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