3D打印光芯片耦合微透鏡(FaML)可克服光子封裝的挑戰(zhàn)

來源：長三角G60激光聯(lián)盟

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院,、德國Vanguard Automation GmbH一組研究人員已經(jīng)證明,，3D打印的面附著微透鏡(FaML)可以克服基于PIC的解決方案的可擴(kuò)展性挑戰(zhàn)。相關(guān)研究成果以“3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly”為題發(fā)表在《Light: Advanced Manufacturing》上,。

晶圓級大規(guī)模生產(chǎn)光子集成電路（PIC）已成為光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)支柱,，實現(xiàn)了許多新穎的應(yīng)用，并顛覆了廣泛的現(xiàn)有應(yīng)用,。然而,，可擴(kuò)展的光子封裝和系統(tǒng)組裝仍然是一個主要挑戰(zhàn)，阻礙PIC解決方案的商業(yè)應(yīng)用,。具體而言,，芯片到芯片和光纖到芯片的連接通常依賴于主動對準(zhǔn)技術(shù)，在裝配過程中不斷測量和優(yōu)化耦合效率,。這不可避免地導(dǎo)致技術(shù)上復(fù)雜的組裝過程和高成本,，從而削弱PIC的固有的可擴(kuò)展性優(yōu)勢。
在本文中,，研究人員證明了3D打印貼面微透鏡（FaML）可以為高度可擴(kuò)展的光子系統(tǒng)組裝克服這個問題,，完全依賴于基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺和簡單機(jī)械停止的被動組裝技術(shù)。FaML可以使用多光子光刻以高精度打印到光學(xué)元件的小平面上,，從而提供了通過自由設(shè)計的折射或反射表面來成形發(fā)射光束的可能性,。具體來說，發(fā)射的光束可以被準(zhǔn)直到相對較大的直徑,，該直徑獨(dú)立于器件特定的模式場,，從而放松軸向和橫向?qū)��?zhǔn)公差。此外,，F(xiàn)aML概念允許將諸如光學(xué)隔離器之類的分立光學(xué)元件插入PIC面之間的自由空間光束路徑中,。

研究人員在一系列選定的具有高度技術(shù)相關(guān)性的實驗中展示了該方案的可行性和多功能性，包括可插拔光纖芯片接口,、PIC與分立微光學(xué)元件（如偏振分束器）的組合,，以及基于僅包括傾斜光學(xué)表面的非平面光束路徑的超低背反射耦合�,；�于研究結(jié)果,，該架構(gòu)結(jié)合了不同光子集成平臺的獨(dú)特優(yōu)勢，研究人員相信FaML概念為實現(xiàn)新的基于PIC的系統(tǒng)架構(gòu)開辟了一條極具發(fā)展前景的道路,。


使用面附著微透鏡(FaML)組裝集成光學(xué)系統(tǒng)的概念如圖1所示,，圖1展示了一個光學(xué)發(fā)射機(jī)的示例案例，該光學(xué)發(fā)射機(jī)由具有角度面的InP激光器陣列,、光隔離塊和硅光子(SiP)芯片上的調(diào)制器陣列組成,。

圖1：3D打印面附著微透鏡(FaML)的光學(xué)組件示意圖。

FaML與SiP芯片集成
研究人員展示了與邊緣發(fā)射SiP芯片的低損耗耦合,，以及基于簡單機(jī)械對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的可插拔光學(xué)連接,。為此，研究人員將FaML陣列打印到SiP芯片的邊緣,，并研究與透鏡單模光纖（SMF）陣列的耦合效率以及相關(guān)的對準(zhǔn)公差,。研究表明,，將光纖陣列(FA)與邊緣耦合硅光子(SiP)芯片陣列耦合，每個接口的插入損耗為1.4 dB,，平移橫向1db對準(zhǔn)公差為±6μm,，旋轉(zhuǎn)1db對準(zhǔn)公差為1.1°。這是迄今為止被實驗證明的具有微米級對準(zhǔn)公差的邊緣發(fā)射SiP波導(dǎo)界面的最低損耗,。

圖2:使用3D打印面附著微透鏡(FaML,，中間的顯微鏡圖像)實現(xiàn)單模光纖陣列(FA)和邊緣發(fā)射SiP波導(dǎo)陣列之間的耦合。左圖(i)和右圖(ii)分別是FaML在SiP和FA側(cè)的放大掃描電鏡(SEM)圖像,。

基于FaML的光學(xué)耦合接口的對準(zhǔn)公差,，研究人員通過基于現(xiàn)成的低成本大規(guī)模生產(chǎn)的高精度注塑塑料零件—樂高積木構(gòu)建非接觸式可插拔光纖芯片接口，其中已經(jīng)構(gòu)建了光纖到芯片連接,，用于使用光柵耦合器和離散熔融二氧化硅微透鏡的組合進(jìn)行表面耦合圖3a顯示了研究人員組件的示意圖,。首先將SiP芯片粘在底座上，然后將光纖陣列主動對齊并粘在右側(cè)的蓋板上,，同時將樂高積木粘在一起。最后,，在拆卸并重新建立樂高連接總共50次后,，測量插入損耗。每個連接的損耗在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)的有源對準(zhǔn)的值高出約0.5 dB。

圖3：通過樂高積木實現(xiàn)非接觸式可插拔光纖芯片接口耦合

遠(yuǎn)距離無源定位光耦合以及與離散微光學(xué)元件的組合
使用標(biāo)準(zhǔn)SMF陣列和邊緣耦合InP光電二極管陣列（PDA,，F(xiàn)inisar/II-VI股份有限公司）圖4a,，和PDA芯片的插圖（ii）。利用這些組件,，研究人員展示了一種無源SMF陣列到芯片組件,，其自由空間耦合距離高達(dá)3.3毫米。FA上的透鏡將10μm的SMF模場直徑轉(zhuǎn)換為自由空間高斯光束,，該光束在距離FaML頂點(diǎn)1.65毫米的距離處,，即在自由空間光束路徑的中心，具有60μm直徑的束腰,。PDA芯片設(shè)計用于與SMF對接耦合,，包含一個片上錐形光斑尺寸轉(zhuǎn)換器，在芯片端面產(chǎn)生10μm的MFD,。研究人員將透鏡打印到芯片上,，其光學(xué)設(shè)計與打印到FA上的透鏡相同，將腰徑為60μm的入射高斯光束轉(zhuǎn)換為PDA芯片面上直徑為10μm的高斯光斑,。

圖4：使用FaML進(jìn)行遠(yuǎn)距離耦合和光纖陣列輸出光束準(zhǔn)直,。在概念驗證實驗中,，研究人員將單模光纖陣列(FA)與InP光電二極管陣列(PDA)耦合在3.3 mm的自由空間距離上，允許在光束路徑中插入光學(xué)元件,，如分束器或光隔離器,。

使用相同類型的透鏡FA和透鏡PDA芯片，研究人員還證明了離散光學(xué)元件可以插入到準(zhǔn)直的自由空間光束路徑中,。在研究人員的原理驗證組件中,，研究人員使用偏振分束器（PBS）插入單模光纖陣列和邊緣耦合磷化銦光電探測器陣列之間的光束路徑中，如圖5所示,，PBS由兩個直角玻璃棱鏡和介于兩者之間的介電偏振敏感反射表面Spol組成,，圖5和插圖(iii)中的光束路徑用彩色虛線表示。實驗表明,，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,，甚至超過其精度水平。

圖5：使用FaML的光學(xué)組件演示,，F(xiàn)aML與偏振分束光學(xué)組件耦合實驗

傾斜面的器件陣列耦合
研究人員將FaML組件打印到有角度的芯片刻面,，這些組件通常用于半導(dǎo)體激光器和放大器，其有效抑制非必要的背反射,。實驗中,，研究人員在有源芯片和光纖側(cè)使用專用的FaML將基于離散模式分布反饋(DFB)激光陣列耦合到單模光纖陣列(FA)。這極大地簡化了裝配過程中基于頂視圖相機(jī)視覺的設(shè)備對齊,，并結(jié)合平行于芯片邊緣的線性平移的對準(zhǔn)難度,。

圖6：演示了一個由角度DFB激光陣列組成的組件，該組件通過激光器和光纖切面上的專用FaML耦合到單模光纖陣列(FA),。

研究人員展示了3D打印面附著微透鏡(FaML)應(yīng)用于先進(jìn)光子系統(tǒng)組裝的巨大潛力,。利用多光子光刻技術(shù)，F(xiàn)aML可以高精度地打印到光學(xué)元件的表面,，提供了通過自由設(shè)計折射表面來塑造發(fā)射光束的可能性,。光束可以被準(zhǔn)直到相對較大的直徑，從而放寬軸向和橫向?qū)��?zhǔn)公差,。這使得昂貴的主動對準(zhǔn)技術(shù)過時,，并打開了在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)的可能性。
基于FaML概念的可擴(kuò)展和靈活性的這些研究,，研究人員認(rèn)為該方法為先進(jìn)的光子系統(tǒng)組件開辟了一條極具發(fā)展?jié)摿Φ牡缆�,，可以克服�?dāng)前的大部分限制，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,。

相關(guān)論文鏈接：

Yilin Xu et al, 3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly, Light: Advanced Manufacturing (2023). DOI: 10.37188/lam.2023.003

https://www.vanguard-automation.com/

https://phys.org/news/2023-07-3d ... -faml-photonic.html