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德国利用光子引线键合技术实现光子芯片混合组装
2020-05-19

【据物理学组织网站2020年5月14日报道】自由曲面光波导的三维(3-D)纳米打印技术(也被称为光学引线键合技术),可以在光子芯片之间有效地进行耦合,从而大大简化光学系统的组装过程。传统的光学组装技术依赖于复杂且成本高昂的高精度对准技术,而光学引线键合技术则避免了这一过程,并且其在键合形状和轨迹方面有着明显的优势,因此可以替代传统的光学组装技术。近日,德国光子学、量子电子学和微结构技术研究团队,在《自然:光、科学及应用》发表了一项新研究,研究人员利用光学引线键合技术,将硅光子调制器阵列与激光器和单模光纤之间的键合。在实验室里,研究人员利用先进的三维光刻技术将光学引线键合到芯片上,从而有效地将各种光子集成平台连接起来。此外,研究人员还简化了先进的光学多阶模组的组装过程,从而实现了从高速通信到超快速信号处理、光传感和量子信息处理等多种应用的转换。

光子集成是实现各种量子技术的关键方法。该领域的大多数商业产品都依赖于光子芯片的独立组装,因此这些芯片需要耦合元件进行连接,如片上适配器和微透镜或重定向镜等。光学系统的组装需要复杂的主动对准技术,以在器件开发过程中持续监控耦合效率。该方法成本高且产量低,这使得光子集成电路(PIC)的晶圆量产困难重重。在新研究中,研究人员将传统系统的性能和灵活性优势与利用先进增材纳米加工技术进行整体集成的紧凑性和可扩展性优势结合到了一起。为了在光子器件上设计出自由曲面聚合物波导,该团队利用光学引线键合技术实现全自动化地高效光耦合。

研究人员设计了100个间隔紧密的光学引线键(PWB),该实验为简化先进光子多芯片系统组装奠定了基础。实验模块包含多个基于不同材料体系的光子模具,包括磷化铟(InP)和绝缘体上硅(SOI)。实验中的组装步骤不需要高精度对准,研究人员利用三维自由曲面光学引线键合技术实现了芯片到芯片和光纤到芯片的连接。此外,研究人员使用三维成像和计算机视觉技术对芯片上的对准标记进行了检测。然后,使用双光子光刻技术制造光学引线键,其分辨率达到了亚微米级。研究团队将光学夹并排放置在设备中,以防止热效应,并实现高效地热连接。混合多芯片组件(MCM)依赖于硅光子(SiP)芯片与磷化铟光源和输出传输光纤的有效连接。研究团队还将磷化铟光源作为水平腔面发射激光器(HCSEL),以便当他们将光学引线键与微透镜结合在一起时,可以方便地将光学平面外连接到芯片表面。

在第一个实验中,研究团队通过使用深紫外光刻技术制造了测试芯片,结果表明光学引线键能够提供低损耗的光学连接。每个测试芯片包含100个待测试的键合结构,以从光纤芯片耦合损耗中分离出光学引线键损耗。光学引线键的制造可实现完全自动化,每个键的连接时间仅为30秒左右,实验表明该时间可进一步缩短。研究团队还在其他测试芯片上进行了重复实验,对比的实验结果验证了该工艺优秀的可重复性。随后,研究人员还进行了-40摄氏度至85摄氏度的多温度循环实验,以证明该结构在技术相关环境条件下的可靠性。实验过程中,光学引线键没有发生性能降低或是结构改变的情况。为了解光学引线键结构的高功率处理能力,研究人员还对样品进行了1550纳米波长的连续激光照射,实验结果表明,随着光功率的增加,光学引线键没有发生性能降低或是结构改变的情况。研究人员得出结论,在工业相关环境及实际功率水平中,光学引线键可以保证高性能的状态。

为证明光学引线键合技术的可行性,研究人员制造了一个功能性的八通道光子多芯片发射机(Tx)引擎,该引擎结合了磷化铟激光阵列和硅光子芯片调制器阵列来调制强度。完整的组件包含两个由四个水平腔面发射激光器组成的阵列,激光器阵列通过光学引线键连接到一个行波损耗型的马赫-曾德尔调制器阵列。该演示结构旨在进行原理验证,仍有优化空间。

在第二个实验中,研究团队制造了一个用于相干通信的四通道多阶发射机模组。在该模组中,研究人员将包含光学引线键的混合多芯片集成系统与电光调制器的混合片上集成系统相结合,并将硅光子芯片纳米线波导与高效电光材料相结合。实验结果表明,该模组具有低功耗、效率高的优点。

研究团队通过以上实验,突破了现有混合光子集成方法的限制,实现了光学引线键的三维纳米制造。该团队通过研制两种不同的混合多芯片发射机引擎,验证了这种制造方法的可行性。虽然在这项工作中,研究团队只专注于将该技术用于高速光通信的发射机模组,但该技术具有混合光子集成的优势,非常具有广泛应用的潜力。(国家工业信息安全发展研究中心 刘彧宽)

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