3D打印貼面微透鏡可克服光子封裝的挑戰(zhàn)

通過解鎖新的應(yīng)用，光子集成電路(PICs)正處于重大顛覆的邊緣。這一成功，在很大程度上依賴于先進(jìn)的晶圓級小型化光子器件制造，將出色的功能和魯棒性與前所未有的性能和可擴(kuò)展性相結(jié)合。

不過，雖然通過專門的代工服務(wù)，具有成本效益的PIC大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)廣泛可用，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。

圖1.基于3D打印面附著微透鏡的光學(xué)組件示意圖

具體來說，封裝級光學(xué)芯片對芯片和光纖對芯片的連接通常依賴于所謂的對接耦合，其中器件面緊密相連或直接物理接觸。這種方法通常需要亞微米精度的高精度主動(dòng)對準(zhǔn)，從而使裝配過程復(fù)雜化。此外，匹配模式場可能具有挑戰(zhàn)性，特別是在連接具有不同折射率對比的波導(dǎo)時(shí)。

最新發(fā)表在《光:先進(jìn)制造》雜志上的一篇論文中，由卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的Yilin Xu博士和Christian Koos教授領(lǐng)導(dǎo)的一組科學(xué)家已經(jīng)證明，3D打印的貼面微透鏡(FaML)可以克服基于PIC的解決方案的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)。

圖2.單模光纖陣列(FA)和邊緣發(fā)射SiP波導(dǎo)陣列之間的耦合使用3d打印面附著微透鏡(FaML，中間的顯微鏡圖像)。左邊和右邊的插圖(i)和(ii)分別顯示了SiP和FA側(cè)FaML的放大掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。

FaML可以使用多光子光刻技術(shù)高精度地印刷到光學(xué)元件的各個(gè)方面，從而提供了通過自由設(shè)計(jì)的折射或反射表面來塑造發(fā)射光束的可能性。具體地說，光束可以被準(zhǔn)直到一個(gè)相對較大的直徑，獨(dú)立于器件特定的模式場。這種方法放松了軸向和橫向?qū)χ泄睢?/p>

他們的發(fā)現(xiàn)意味著昂貴的主動(dòng)對準(zhǔn)已經(jīng)過時(shí)，可以被基于機(jī)器視覺或簡單機(jī)械停止的被動(dòng)裝配技術(shù)所取代。此外，F(xiàn)aML概念允許在PIC面之間的自由空間光束路徑中插入離散光學(xué)元件，如光隔離器或偏振分束器。

在他們之前工作的基礎(chǔ)上，研究人員在一系列高技術(shù)相關(guān)性的選定演示中展示了該方案的可行性和多功能性。在第一組實(shí)驗(yàn)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(gè)接口的插入損耗達(dá)到1.4dB，平移橫向1dB對準(zhǔn)公差為±6μm。

這是具有微米級校準(zhǔn)公差的邊發(fā)射SiP波導(dǎo)接口的最低損耗。研究人員進(jìn)一步證明，他們的方案具有出色的對準(zhǔn)公差，可以使用傳統(tǒng)的注塑成型部件實(shí)現(xiàn)非接觸式可插拔光纖芯片接口。

圖3.演示了一個(gè)組件，該組件由一個(gè)有角度的DFB激光陣列通過激光器和光纖面上的專用FaML耦合到一個(gè)單模光纖陣列(FA)。

在第二組實(shí)驗(yàn)中，研究人員展示了在毫米范圍內(nèi)的自由空間傳輸，使用標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。第三組實(shí)驗(yàn)最終致力于InP激光器和SMF陣列之間的界面。在這些實(shí)驗(yàn)中，研究人員展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，從而提供超低背反射。

基于FaML方法出色的多功能性的示范，研究人員相信他們的概念為先進(jìn)的光子系統(tǒng)組裝開辟了一條有吸引力的道路，可以克服當(dāng)前的大多數(shù)挑戰(zhàn)。FaML概念為可擴(kuò)展和靈活的光子封裝概念開辟了一條道路，補(bǔ)充了底層PIC的晶圓級批量制造，解決了當(dāng)今集成光學(xué)領(lǐng)域最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)之一。

審核編輯：湯梓紅