德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院 | 3D打印光芯片耦合微透鏡

來源：先進制造
撰稿：Lance（華中科技大學(xué)，博士生）

晶圓級大規(guī)模生產(chǎn)光子集成電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）已經(jīng)成為光學(xué)和光子學(xué)領(lǐng)域的支柱技術(shù)，并徹底顛覆了許多現(xiàn)有應(yīng)用的工作模式。盡管基于PIC的解決方案具有很強的應(yīng)用優(yōu)勢，但可擴展的光子封裝和系統(tǒng)組裝仍然是一個大挑戰(zhàn)，這嚴(yán)重阻礙了PIC的商業(yè)應(yīng)用。例如，芯片到芯片和光纖到芯片的連接通常需要使用主動對準(zhǔn)技術(shù)，在裝配過程中不斷測量和優(yōu)化耦合效率。這種技術(shù)復(fù)雜度和高成本不可避免地導(dǎo)致了PIC在可擴展性方面的固有優(yōu)勢被大幅減弱。

近期，來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的研究人員在Light: Advanced Manufacturing發(fā)表了題為“3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly”的研究論文。

在文中，研究人員提出并驗證了一種面貼附微透鏡系統(tǒng)（Facet-attached microlenses, FaML），并通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)了它與高度可擴展光子系統(tǒng)的直接組裝。此外，研究人員還通過一系列接口耦合實驗展示了該方案的可行性和多功能性。這種FaML光學(xué)系統(tǒng)組裝方案，可以結(jié)合不同光子集成平臺的獨特優(yōu)勢，將為基于PIC的系統(tǒng)架構(gòu)開辟一條極具潛力的商用化道路。

面微透鏡設(shè)計
FaML可以使用多光子光刻高精度印刷到光學(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。具體地，發(fā)射的光束可以被準(zhǔn)直到相對較大的直徑，該直徑獨立于器件特定的模式場。這放寬了軸向和橫向?qū)��?zhǔn)公差，并且可以被基于機器視覺或簡單機械止動器的被動裝配技術(shù)所取代。此外，與直接對接耦合相比，F(xiàn)aML概念開啟了將離散光學(xué)元件（如光學(xué)隔離器）插入PIC面之間的自由空間光束路徑的可能性。

圖1展示了使用面貼附微透鏡FaML組裝集成光學(xué)系統(tǒng)概念。一個光發(fā)射器的典型示例包括一個帶有傾斜面的InP激光器陣列，一個光隔離器塊以及一個位于硅光子芯片（SiP）上的調(diào)制器陣列。SiP芯片的輸出通過機械轉(zhuǎn)移的插芯連接到一個可插拔的單模光纖（SMF）陣列上，并通過機械對準(zhǔn)銷定位。插圖（i）、（ii）和（iii）顯示了不同自由形式的FaML的放大視圖，這些可以被設(shè)計成將自由空間光束聚焦到直徑高達60 μm，從而極大地放寬了平移對準(zhǔn)容限。

圖1：基于3D打印的不同類型FaML光學(xué)組件示意圖

FaML與SiP芯片集成
研究人員展示了通過FaML與邊緣發(fā)射SiP芯片的低損耗耦合，以及基于簡單機械對準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的可插拔光學(xué)連接，如圖2所示。研究人員將FaML陣列打印到SiP芯片的邊緣，并測試了其與透鏡單模光纖陣列（Fiber array, FA）的耦合效率以及相關(guān)的對準(zhǔn)公差。實驗表明，每個接口的插入損耗為1.4 dB，平移橫向1 dB對準(zhǔn)公差為± 6 μm，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：利用FaML微透鏡組實現(xiàn)單模光纖陣列與邊緣發(fā)射SiP波導(dǎo)陣列耦合

同時，由于該方案出色的對準(zhǔn)公差允許范圍，研究人員展示了使用低成本大規(guī)模生產(chǎn)的注塑塑料部件（如樂高LEGO積木）實現(xiàn)非接觸式可插拔光纖芯片接口的可能性。如圖3所示，樂高連接由一塊固定的（黃色）磚和一塊可拆卸的（深色透明）積木組成，積木上附有一塊平面鋁蓋板（灰色）。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

長距離無源定位光學(xué)耦合
同時，研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)機器視覺技術(shù)進行對準(zhǔn)，演示了毫米范圍內(nèi)的長距離自由空間傳輸和無源定位光學(xué)耦合。通過設(shè)計產(chǎn)生更大的光束直徑，從而減少光束發(fā)散，增大相關(guān)聯(lián)的耦合接口FaML之間的距離，使得諸如光學(xué)隔離器之類的分立微光學(xué)部件可以插入光學(xué)芯片之間的光束路徑中，如圖3和4所示。

圖4：使用FaML進行光纖陣列輸出光束準(zhǔn)直和長距離傳輸耦合

在實驗中，研究人員使用標(biāo)準(zhǔn)SMF陣列和邊緣耦合InP光電二極管陣列，通過將FaML 3D打印到光纖陣列FA和光電二極管陣列（Photodiode arrays, PDA）芯片。利用這些組件，研究人員設(shè)計了一個無源SMF陣列到芯片的組件，其自由空間耦合距離高達3.3 mm。FA上的透鏡將10 μm的SMF模場直徑轉(zhuǎn)換為自由空間高斯光束，其束腰直徑為60 μm，距離FaML頂點1.65 mm，即在自由空間光束路徑的中心。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，該轉(zhuǎn)換器在芯片端面產(chǎn)生10 μm的模場直徑。研人員將透鏡打印到與打印到FA的透鏡具有相同光學(xué)設(shè)計的芯片上，將入射的束腰直徑為60 μm的高斯光束轉(zhuǎn)換為PDA芯片端面處直徑為10 μm的Gaussian光斑。

進一步地，使用相同類型的FA和PDA芯片，研究人員還證明了離散光學(xué)元件可以插入準(zhǔn)直的自由空間光束路徑，如圖4所示。在原理驗證組件中，研究人員將光學(xué)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。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組成，光束路徑在圖中顯示為彩色虛線。實驗表明，基于FaML的光學(xué)微系統(tǒng)所能達到的精度水平與標(biāo)準(zhǔn)離散微光學(xué)組件所提供的精度水平不相上下，甚至超過了這些精度水平。

圖5：FaML與偏振分束光學(xué)組件耦合實驗

傾斜端面器件耦合
同時，研究人員展示了印刷到成角度的芯片刻面上的FaML組件，如圖6所示，它們可以有效抑制半導(dǎo)體激光器和放大器的非必要背反射。在實驗中，研究人員在有源芯片和光纖側(cè)使用專用FaML將基于離散模分布式反饋（Distributed-feedback, DFB）激光器陣列耦合到單模光纖陣列。FaML被專門設(shè)計為在兩個面之間產(chǎn)生非平面的光束路徑，該光束路徑僅包含傾斜或強烈彎曲的光學(xué)表面S1、S2、S3和S4，從而大大減少進入DFB芯片的背反射。這種非平面光束路徑的設(shè)計使得FaML的俯視投影垂直于芯片和FA邊緣。通過基于俯視相機視覺并結(jié)合平行于芯片邊緣的線性平移，可以大大簡化組裝過程中器件的對準(zhǔn)難度。

圖6：利用FaML將DFB激光器陣列耦合到單模光纖陣列

總結(jié)
綜上所述，本文展示了3D打印FaML微透鏡組件在集成光子系統(tǒng)組裝中的巨大潛力。通過多光子光刻以高精度打印到光學(xué)元件的小面上，提供了通過自由設(shè)計的折射表面來成形發(fā)射光束的可能性。光束可以被準(zhǔn)直到相對較大的直徑，這些直徑獨立于設(shè)備特定的模式場，從而可以放松對軸向和橫向?qū)��?zhǔn)公差要求，使得將光學(xué)隔離器等分立光學(xué)元件插入PIC面間成為可能�；�于FaML概念的先進光子系統(tǒng)組件可以克服當(dāng)前的大多數(shù)限制，將為光子集成電路開辟了一條極具潛力的應(yīng)用路徑。

  論文信息  
Yilin Xu, Pascal Maier, Mareike Trappen, Philipp-Immanuel Dietrich, Matthias Blaicher, Rokas Jutas, Achim Weber, Torben Kind, Colin Dankwart, Jens Stephan, Andreas Steffan, Amin Abbasi, Padraic Morrissey, Kamil Gradkowski, Brian Kelly, Peter O’Brien, Wolfgang Freude, Christian Koos. 3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly[J]. Light: Advanced Manufacturing 4, 3(2023).
https://doi.org/10.37188/lam.2023.003