3D打印貼面微透鏡可克服光子封裝的挑戰(zhàn)

來源：光行天下

通過解鎖新的應用，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展性相結(jié)合。

不過，雖然通過專門的代工服務，具有成本效益的PIC大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)廣泛可用，但可擴展的光子封裝和系統(tǒng)組裝仍然是加速商業(yè)應用的重大挑戰(zhàn)和障礙。

圖1.基于3D打印面附著微透鏡的光學組件示意圖

具體來說，封裝級光學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對準，從而使裝配過程復雜化。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時。

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

圖2.單模光纖陣列(FA)和邊緣發(fā)射SiP波導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高精度地印刷到光學元件的各個方面，從而提供了通過自由設計的折射或反射表面來塑造發(fā)射光束的可能性。具體地說，光束可以被準直到一個相對較大的直徑，獨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?br /> 他們的發(fā)現(xiàn)意味著昂貴的主動對準已經(jīng)過時，可以被基于機器視覺或簡單機械停止的被動裝配技術所取代。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元件，如光隔離器或偏振分束器。

在他們之前工作的基礎上，研究人員在一系列高技術相關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到1.4dB，平移橫向1dB對準公差為±6μm。

這是具有微米級校準公差的邊發(fā)射SiP波導接口的最低損耗。研究人員進一步證明，他們的方案具有出色的對準公差，可以使用傳統(tǒng)的注塑成型部件實現(xiàn)非接觸式可插拔光纖芯片接口。

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

在第二組實驗中，研究人員展示了在毫米范圍內(nèi)的自由空間傳輸，使用標準的機器視覺技術進行校準。第三組實驗最終致力于InP激光器和SMF陣列之間的界面。在這些實驗中，研究人員展示了平面器件通過僅包含傾斜光學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，可以克服當前的大多數(shù)挑戰(zhàn)。FaML概念為可擴展和靈活的光子封裝概念開辟了一條道路，補充了底層PIC的晶圓級批量制造，解決了當今集成光學領域最嚴峻的挑戰(zhàn)之一。

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