3D打印的面貼附微透鏡克服基于PIC的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)

光子集成電路（PIC）正因能夠?qū)崿F(xiàn)新穎的應(yīng)用而處于重大顛覆技術(shù)的邊緣。這一成功很大程度上依賴于晶圓級小型化光子器件制造，將高功能性和穩(wěn)健性與前所未有的性能和可擴(kuò)展性相結(jié)合。

然而，盡管通過專門的代工服務(wù)已廣泛實現(xiàn)具有成本效益的PIC大規(guī)模生產(chǎn)，但可擴(kuò)展的光子封裝和系統(tǒng)組裝仍然是加速商業(yè)應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)和障礙。

具體來說，芯片到芯片和光纖到芯片的連接通常依賴于對接耦合，其中器件表面彼此靠近或直接物理接觸。這種方法通常需要亞微米精度的高精度主動對準(zhǔn)，從而使裝配過程變得復(fù)雜。此外，匹配模式場可能具有挑戰(zhàn)性，特別是在連接折射率對比度顯著不同的波導(dǎo)時。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，由德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）的Yilin Xu博士和Christian Koos教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)家團(tuán)隊已經(jīng)證明，3D打印的面貼附微透鏡（Facet-attached microlenses，F(xiàn)aML）可以克服基于PIC的解決方案的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)。他們的研究成果以“3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly”為題在Light: Applied Manufacturing期刊上發(fā)表。

基于3D打印的面貼附微透鏡（FaML）的光學(xué)組件

FaML可以通過多光子光刻技術(shù)高精度地打印到光學(xué)元件的平面上，從而提供了通過自由設(shè)計的折射或反射表面來形成發(fā)射光束的可能性。光束可以被準(zhǔn)直到相對較大的直徑，而與器件特定的模式場無關(guān)。這種方法放寬了軸向和橫向?qū)?zhǔn)公差。

卡爾斯魯厄理工學(xué)院研究小組表示，他們的發(fā)現(xiàn)“意味著成本高昂的主動對準(zhǔn)已經(jīng)過時，可以被基于機(jī)器視覺或簡單機(jī)械擋塊的被動裝配技術(shù)所取代?！贝送?，F(xiàn)aML概念允許將分立光學(xué)元件（例如光隔離器或偏振分束器）插入到PIC面之間的自由空間光束路徑中。

FaML與偏振分束光學(xué)組件耦合實驗

在之前的工作基礎(chǔ)上，研究人員在一系列選定的具有高度技術(shù)相關(guān)性的演示中展示了該方案的可行性和多功能性。在第一組實驗中，他們將光纖陣列耦合到邊緣耦合硅光子（SiP）芯片陣列，每個接口的插入損耗達(dá)到1.4 dB，橫向平移1 dB對準(zhǔn)容差為± 6 μm。

這是具有微米級對準(zhǔn)公差的邊緣發(fā)射SiP波導(dǎo)接口所證明的最低損耗。研究人員進(jìn)一步證明，他們的方案出色的對準(zhǔn)公差允許使用傳統(tǒng)注塑零件實現(xiàn)非接觸式可插拔光纖芯片接口。

在第二組實驗中，他們使用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行對準(zhǔn)，展示了毫米范圍內(nèi)距離的自由空間傳輸。第三組實驗最終致力于磷化銦（InP）激光器和SMF陣列之間的接口。在這些實驗中，研究人員演示了平面器件通過僅包含傾斜光學(xué)表面的非平面光束路徑的耦合，從而提供超低的背反射。

審核編輯：劉清