一個可以制造柔性光子晶圓及芯片的300毫米晶圓級平臺

憑借晶圓級制造工藝，集成光子學領(lǐng)域近年發(fā)展迅速，在紅外（激光雷達和通信等應用）和可見光（深入新興應用領(lǐng)域，如顯示、光遺傳學和量子系統(tǒng)等）波段都已有報道集成光子學平臺和制造工藝。然而，這些進展主要集中于硅襯底上的制造工藝，獲得的是剛性光子晶圓和芯片，限制了其潛在的應用空間。

柔性集成光子晶圓有望使更多應用領(lǐng)域受益，例如貼合人體或衣物的可穿戴醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備和柔性顯示器等。受益于光子功能的可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)護設(shè)備可以佩戴于手腕（智能手表）、手指（智能戒指）或上臂（作為貼片），考慮到典型成人的手腕周長、戒指尺寸和上臂尺寸，這些監(jiān)測設(shè)備需要的彎曲直徑分別約為4厘米、1.5厘米和7.6厘米。

迄今，已有一些關(guān)于柔性光子學制造的報道。實現(xiàn)柔性光子學的一種流行技術(shù)是異質(zhì)集成，即首先在剛性襯底上制造器件，然后通過direct-flip或stamp-assisted工藝將器件轉(zhuǎn)移到柔性襯底上。另一種流行的技術(shù)是單片集成，即直接在柔性襯底上對器件進行圖案化，而柔性襯底則由剛性襯底臨時支撐。不過，這些現(xiàn)有柔性光子學僅限于單個器件或芯片規(guī)模的制造工藝，這限制了其可擴展性。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員開發(fā)并實驗表征了第一個可以制造柔性光子晶圓及芯片的300毫米晶圓級平臺。首先，研究人員開發(fā)了300毫米晶圓級CMOS兼容的柔性平臺和制造工藝。接著，通過實驗演示了可見光波長下的關(guān)鍵光學功能，包括芯片耦合、波導路由和無源器件。實驗證明了光纖到芯片的邊緣耦合，耦合損耗為8 dB/facet，300 nm寬和400 nm寬波導的傳播損耗分別為12.1 dB/cm和9.4 dB/cm，1 x 2多模干涉儀（MMI）分路器的分路比為2.9 dB，所有這些都在632.8 nm工作波長下實現(xiàn)。

然后，研究人員進行了彎曲耐久性研究，以表征光子芯片的機械柔性。研究人員演示了將單個柔性光子芯片繞直徑從5厘米到1.25厘米圓柱體彎曲2000次，其光學性能沒有明顯下降。最后，研究人員通過實驗表征了彎曲柔性光子芯片所引起的偏振效應，比較了柔性芯片平放與圍繞兩個直徑不同圓柱體彎曲時的器件性能，發(fā)現(xiàn)輸出光的偏振會隨著芯片的彎曲而發(fā)生變化。

柔性光子芯片的制造工藝

柔性光子芯片的實驗表征

展望未來，研究人員將繼續(xù)開發(fā)這種晶圓級制造工藝，深入研究柔性光子芯片的特性。首先，研究人員將在平臺上引入晶圓級蝕刻切割溝槽，以實現(xiàn)更平滑的切面和更低損耗的邊緣耦合器；其次，探索退火步驟，以及改用LPCVD氮化硅的可行性，以進一步降低波導傳播損耗；第三，對柔性光子芯片的機械性能進行進一步數(shù)值分析和實驗表征，包括量化楊氏模量、彈性常數(shù)和斷裂強度；第四，研究應變對波導光學特性的影響，進行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與彎曲引起的偏振旋轉(zhuǎn)的實驗結(jié)果進行比較；第五，探索芯片向另一方向彎曲的影響，由于波導受到的應力和應變不同，預計這將對偏振旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響；第六，開發(fā)一套自動彎曲測試裝置，以便對芯片的耐久性進行嚴格的高通量表征；第七，設(shè)計更多量身定制的光子器件，進一步研究芯片彎曲對偏振和損耗的影響。

總體來說，這項研究成果為可擴展的柔性集成光子學制造鋪平了道路，推動集成光子學進入需要柔性光子芯片的新應用領(lǐng)域，例如與人體或織物相適應的可穿戴醫(yī)療監(jiān)護儀以及柔性顯示器等。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-61055-w

審核編輯：劉清