3D打印光芯片耦合微透鏡設(shè)計(jì)

晶圓級(jí)大規(guī)模生產(chǎn)光子集成電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）已經(jīng)成為光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的支柱技術(shù)，并徹底顛覆了許多現(xiàn)有應(yīng)用的工作模式。盡管基于PIC的解決方案具有很強(qiáng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但可擴(kuò)展的光子封裝和系統(tǒng)組裝仍然是一個(gè)大挑戰(zhàn)，這嚴(yán)重阻礙了PIC的商業(yè)應(yīng)用。例如，芯片到芯片和光纖到芯片的連接通常需要使用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，在裝配過(guò)程中不斷測(cè)量和優(yōu)化耦合效率。這種技術(shù)復(fù)雜度和高成本不可避免地導(dǎo)致了PIC在可擴(kuò)展性方面的固有優(yōu)勢(shì)被大幅減弱。

研究人員新提出并驗(yàn)證了一種面貼附微透鏡系統(tǒng)（Facet-attached microlenses, FaML），并通過(guò)3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)了它與高度可擴(kuò)展光子系統(tǒng)的直接組裝。此外，研究人員還通過(guò)一系列接口耦合實(shí)驗(yàn)展示了該方案的可行性和多功能性。這種FaML光學(xué)系統(tǒng)組裝方案，可以結(jié)合不同光子集成平臺(tái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，將為基于PIC的系統(tǒng)架構(gòu)開(kāi)辟一條極具潛力的商用化道路。

面微透鏡設(shè)計(jì)

FaML可以使用多光子光刻高精度印刷到光學(xué)元件的小平面上，從而提供了通過(guò)自由設(shè)計(jì)的折射或反射表面來(lái)成形發(fā)射光束的可能性。具體地，發(fā)射的光束可以被準(zhǔn)直到相對(duì)較大的直徑，該直徑獨(dú)立于器件特定的模式場(chǎng)。這放寬了軸向和橫向?qū)?zhǔn)公差，并且可以被基于機(jī)器視覺(jué)或簡(jiǎn)單機(jī)械止動(dòng)器的被動(dòng)裝配技術(shù)所取代。

此外，與直接對(duì)接耦合相比，F(xiàn)aML概念開(kāi)啟了將離散光學(xué)元件（如光學(xué)隔離器）插入PIC面之間的自由空間光束路徑的可能性。 圖1展示了使用面貼附微透鏡FaML組裝集成光學(xué)系統(tǒng)概念。一個(gè)光發(fā)射器的典型示例包括一個(gè)帶有傾斜面的InP激光器陣列，一個(gè)光隔離器塊以及一個(gè)位于硅光子芯片（SiP）上的調(diào)制器陣列。SiP芯片的輸出通過(guò)機(jī)械轉(zhuǎn)移的插芯連接到一個(gè)可插拔的單模光纖（SMF）陣列上，并通過(guò)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)銷(xiāo)定位。插圖（i）、（ii）和（iii）顯示了不同自由形式的FaML的放大視圖，這些可以被設(shè)計(jì)成將自由空間光束聚焦到直徑高達(dá)60 μm，從而極大地放寬了平移對(duì)準(zhǔn)容限。

圖1：基于3D打印的不同類(lèi)型FaML光學(xué)組件示意圖

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

FaML與SiP芯片集成

研究人員展示了通過(guò)FaML與邊緣發(fā)射SiP芯片的低損耗耦合，以及基于簡(jiǎn)單機(jī)械對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的可插拔光學(xué)連接，如圖2所示。研究人員將FaML陣列打印到SiP芯片的邊緣，并測(cè)試了其與透鏡單模光纖陣列（Fiber array, FA）的耦合效率以及相關(guān)的對(duì)準(zhǔn)公差。實(shí)驗(yàn)表明，每個(gè)接口的插入損耗為1.4 dB，平移橫向1 dB對(duì)準(zhǔn)公差為± 6 μm，這是迄今為止被實(shí)驗(yàn)證明的具有微米級(jí)對(duì)準(zhǔn)公差的邊緣發(fā)射SiP波導(dǎo)界面的最低損耗。

圖2：利用FaML微透鏡組實(shí)現(xiàn)單模光纖陣列與邊緣發(fā)射SiP波導(dǎo)陣列耦合

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

同時(shí)，由于該方案出色的對(duì)準(zhǔn)公差允許范圍，研究人員展示了使用低成本大規(guī)模生產(chǎn)的注塑塑料部件（如樂(lè)高LEGO積木）實(shí)現(xiàn)非接觸式可插拔光纖芯片接口的可能性。如圖3所示，樂(lè)高連接由一塊固定的（黃色）磚和一塊可拆卸的（深色透明）積木組成，積木上附有一塊平面鋁蓋板（灰色）。首先將SiP芯片粘在底座上，然后將光纖陣列主動(dòng)對(duì)齊并粘在右側(cè)的蓋板上，同時(shí)將樂(lè)高積木粘在一起。最后，在拆卸并重新建立樂(lè)高連接總共50次后，測(cè)量插入損耗。每個(gè)連接的損耗在1.41 dB和2.46 dB之間，平均損耗為1.9 dB，這比最初發(fā)現(xiàn)的有源對(duì)準(zhǔn)的值高出約0.5 dB。

圖3：通過(guò)樂(lè)高積木實(shí)現(xiàn)非接觸式可插拔光纖芯片接口耦合

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

長(zhǎng)距離無(wú)源定位光學(xué)耦合

同時(shí)，研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，演示了毫米范圍內(nèi)的長(zhǎng)距離自由空間傳輸和無(wú)源定位光學(xué)耦合。通過(guò)設(shè)計(jì)產(chǎn)生更大的光束直徑，從而減少光束發(fā)散，增大相關(guān)聯(lián)的耦合接口FaML之間的距離，使得諸如光學(xué)隔離器之類(lèi)的分立微光學(xué)部件可以插入光學(xué)芯片之間的光束路徑中，如圖3和4所示。

圖4：使用FaML進(jìn)行光纖陣列輸出光束準(zhǔn)直和長(zhǎng)距離傳輸耦合

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)SMF陣列和邊緣耦合InP光電二極管陣列，通過(guò)將FaML 3D打印到光纖陣列FA和光電二極管陣列（Photodiode arrays, PDA）芯片。利用這些組件，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)源SMF陣列到芯片的組件，其自由空間耦合距離高達(dá)3.3 mm。FA上的透鏡將10 μm的SMF模場(chǎng)直徑轉(zhuǎn)換為自由空間高斯光束，其束腰直徑為60 μm，距離FaML頂點(diǎn)1.65 mm，即在自由空間光束路徑的中心。PDA芯片設(shè)計(jì)用于與SMF對(duì)接耦合，包含一個(gè)片上錐形光斑尺寸轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器在芯片端面產(chǎn)生10 μm的模場(chǎng)直徑。

研人員將透鏡打印到與打印到FA的透鏡具有相同光學(xué)設(shè)計(jì)的芯片上，將入射的束腰直徑為60 μm的高斯光束轉(zhuǎn)換為PDA芯片端面處直徑為10 μm的Gaussian光斑。 進(jìn)一步地，使用相同類(lèi)型的FA和PDA芯片，研究人員還證明了離散光學(xué)元件可以插入準(zhǔn)直的自由空間光束路徑，如圖4所示。在原理驗(yàn)證組件中，研究人員將光學(xué)偏振分束器（PBS）插入單模光纖陣列和邊緣耦合磷化銦光電探測(cè)器陣列之間的光束路徑中。PBS由兩個(gè)直角玻璃棱鏡和介于兩者之間的介電偏振敏感反射表面組成，光束路徑在圖中顯示為彩色虛線。實(shí)驗(yàn)表明，基于FaML的光學(xué)微系統(tǒng)所能達(dá)到的精度水平與標(biāo)準(zhǔn)離散微光學(xué)組件所提供的精度水平不相上下，甚至超過(guò)了這些精度水平。

圖5：FaML與偏振分束光學(xué)組件耦合實(shí)驗(yàn) 圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

傾斜端面器件耦合

同時(shí)，研究人員展示了印刷到成角度的芯片刻面上的FaML組件，如圖6所示，它們可以有效抑制半導(dǎo)體激光器和放大器的非必要背反射。在實(shí)驗(yàn)中，研究人員在有源芯片和光纖側(cè)使用專(zhuān)用FaML將基于離散模分布式反饋（Distributed-feedback, DFB）激光器陣列耦合到單模光纖陣列。FaML被專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)為在兩個(gè)面之間產(chǎn)生非平面的光束路徑，該光束路徑僅包含傾斜或強(qiáng)烈彎曲的光學(xué)表面S1、S2、S3和S4，從而大大減少進(jìn)入DFB芯片的背反射。這種非平面光束路徑的設(shè)計(jì)使得FaML的俯視投影垂直于芯片和FA邊緣。通過(guò)基于俯視相機(jī)視覺(jué)并結(jié)合平行于芯片邊緣的線性平移，可以大大簡(jiǎn)化組裝過(guò)程中器件的對(duì)準(zhǔn)難度。

圖6：利用FaML將DFB激光器陣列耦合到單模光纖陣列

圖源：Light: Advanced Manufacturing4, 3(2023)

總結(jié)

綜上所述，本研究展示了3D打印FaML微透鏡組件在集成光子系統(tǒng)組裝中的巨大潛力。通過(guò)多光子光刻以高精度打印到光學(xué)元件的小面上，提供了通過(guò)自由設(shè)計(jì)的折射表面來(lái)成形發(fā)射光束的可能性。光束可以被準(zhǔn)直到相對(duì)較大的直徑，這些直徑獨(dú)立于設(shè)備特定的模式場(chǎng)，從而可以放松對(duì)軸向和橫向?qū)?zhǔn)公差要求，使得將光學(xué)隔離器等分立光學(xué)元件插入PIC面間成為可能?；贔aML概念的先進(jìn)光子系統(tǒng)組件可以克服當(dāng)前的大多數(shù)限制，將為光子集成電路開(kāi)辟了一條極具潛力的應(yīng)用路徑。

審核編輯：劉清