3D打印光芯片耦合微透镜(FaML)可克服光子封装的挑战

来源：长三角G60激光联盟

德国卡尔斯鲁厄理工学院、德国Vanguard Automation GmbH一组研究人员已经证明，3D打印的面附着微透镜(FaML)可以克服基于PIC的解决方案的可扩展性挑战。相关研究成果以“3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly”为题发表在《Light: Advanced Manufacturing》上。

晶圆级大规模生产光子集成电路（PIC）已成为光学和光子学领域的技术支柱，实现了许多新颖的应用，并颠覆了广泛的现有应用。然而，可扩展的光子封装和系统组装仍然是一个主要挑战，阻碍PIC解决方案的商业应用。具体而言，芯片到芯片和光纤到芯片的连接通常依赖于主动对准技术，在装配过程中不断测量和优化耦合效率。这不可避免地导致技术上复杂的组装过程和高成本，从而削弱PIC的固有的可扩展性优势。
在本文中，研究人员证明了3D打印贴面微透镜（FaML）可以为高度可扩展的光子系统组装克服这个问题，完全依赖于基于行业标准机器视觉和简单机械停止的被动组装技术。FaML可以使用多光子光刻以高精度打印到光学元件的小平面上，从而提供了通过自由设计的折射或反射表面来成形发射光束的可能性。具体来说，发射的光束可以被准直到相对较大的直径，该直径独立于器件特定的模式场，从而放松轴向和横向对准公差。此外，FaML概念允许将诸如光学隔离器之类的分立光学元件插入PIC面之间的自由空间光束路径中。

研究人员在一系列选定的具有高度技术相关性的实验中展示了该方案的可行性和多功能性，包括可插拔光纤芯片接口、PIC与分立微光学元件（如偏振分束器）的组合，以及基于仅包括倾斜光学表面的非平面光束路径的超低背反射耦合。基于研究结果，该架构结合了不同光子集成平台的独特优势，研究人员相信FaML概念为实现新的基于PIC的系统架构开辟了一条极具发展前景的道路。


使用面附着微透镜(FaML)组装集成光学系统的概念如图1所示，图1展示了一个光学发射机的示例案例，该光学发射机由具有角度面的InP激光器阵列、光隔离块和硅光子(SiP)芯片上的调制器阵列组成。

图1：3D打印面附着微透镜(FaML)的光学组件示意图。

FaML与SiP芯片集成
研究人员展示了与边缘发射SiP芯片的低损耗耦合，以及基于简单机械对准结构的可插拔光学连接。为此，研究人员将FaML阵列打印到SiP芯片的边缘，并研究与透镜单模光纤（SMF）阵列的耦合效率以及相关的对准公差。研究表明，将光纤阵列(FA)与边缘耦合硅光子(SiP)芯片阵列耦合，每个接口的插入损耗为1.4 dB，平移横向1db对准公差为±6μm，旋转1db对准公差为1.1°。这是迄今为止被实验证明的具有微米级对准公差的边缘发射SiP波导界面的最低损耗。

图2:使用3D打印面附着微透镜(FaML，中间的显微镜图像)实现单模光纤阵列(FA)和边缘发射SiP波导阵列之间的耦合。左图(i)和右图(ii)分别是FaML在SiP和FA侧的放大扫描电镜(SEM)图像。

基于FaML的光学耦合接口的对准公差，研究人员通过基于现成的低成本大规模生产的高精度注塑塑料零件—乐高积木构建非接触式可插拔光纤芯片接口，其中已经构建了光纤到芯片连接，用于使用光栅耦合器和离散熔融二氧化硅微透镜的组合进行表面耦合图3a显示了研究人员组件的示意图。首先将SiP芯片粘在底座上，然后将光纤阵列主动对齐并粘在右侧的盖板上，同时将乐高积木粘在一起。最后，在拆卸并重新建立乐高连接总共50次后，测量插入损耗。每个连接的损耗在1.41 dB和2.46 dB之间，平均损耗为1.9 dB，这比最初发现的有源对准的值高出约0.5 dB。

图3：通过乐高积木实现非接触式可插拔光纤芯片接口耦合

远距离无源定位光耦合以及与离散微光学元件的组合
使用标准SMF阵列和边缘耦合InP光电二极管阵列（PDA，Finisar/II-VI股份有限公司）图4a，和PDA芯片的插图（ii）。利用这些组件，研究人员展示了一种无源SMF阵列到芯片组件，其自由空间耦合距离高达3.3毫米。FA上的透镜将10μm的SMF模场直径转换为自由空间高斯光束，该光束在距离FaML顶点1.65毫米的距离处，即在自由空间光束路径的中心，具有60μm直径的束腰。PDA芯片设计用于与SMF对接耦合，包含一个片上锥形光斑尺寸转换器，在芯片端面产生10μm的MFD。研究人员将透镜打印到芯片上，其光学设计与打印到FA上的透镜相同，将腰径为60μm的入射高斯光束转换为PDA芯片面上直径为10μm的高斯光斑。

图4：使用FaML进行远距离耦合和光纤阵列输出光束准直。在概念验证实验中，研究人员将单模光纤阵列(FA)与InP光电二极管阵列(PDA)耦合在3.3 mm的自由空间距离上，允许在光束路径中插入光学元件，如分束器或光隔离器。

使用相同类型的透镜FA和透镜PDA芯片，研究人员还证明了离散光学元件可以插入到准直的自由空间光束路径中。在研究人员的原理验证组件中，研究人员使用偏振分束器（PBS）插入单模光纤阵列和边缘耦合磷化铟光电探测器阵列之间的光束路径中，如图5所示，PBS由两个直角玻璃棱镜和介于两者之间的介电偏振敏感反射表面Spol组成，图5和插图(iii)中的光束路径用彩色虚线表示。实验表明，基于FaML的光学微系统所能达到的精度水平与标准离散微光学组件所提供的精度水平不相上下，甚至超过其精度水平。

图5：使用FaML的光学组件演示，FaML与偏振分束光学组件耦合实验

倾斜面的器件阵列耦合
研究人员将FaML组件打印到有角度的芯片刻面，这些组件通常用于半导体激光器和放大器，其有效抑制非必要的背反射。实验中，研究人员在有源芯片和光纤侧使用专用的FaML将基于离散模式分布反馈(DFB)激光阵列耦合到单模光纤阵列(FA)。这极大地简化了装配过程中基于顶视图相机视觉的设备对齐，并结合平行于芯片边缘的线性平移的对准难度。

图6：演示了一个由角度DFB激光阵列组成的组件，该组件通过激光器和光纤切面上的专用FaML耦合到单模光纤阵列(FA)。

研究人员展示了3D打印面附着微透镜(FaML)应用于先进光子系统组装的巨大潜力。利用多光子光刻技术，FaML可以高精度地打印到光学元件的表面，提供了通过自由设计折射表面来塑造发射光束的可能性。光束可以被准直到相对较大的直径，从而放宽轴向和横向对准公差。这使得昂贵的主动对准技术过时，并打开了在PIC面之间的自由空间光束路径中插入离散光学元件(如光隔离器)的可能性。
基于FaML概念的可扩展和灵活性的这些研究，研究人员认为该方法为先进的光子系统组件开辟了一条极具发展潜力的道路，可以克服当前的大部分限制，补充了底层PIC的晶圆级批量制造，解决了当今集成光学领域最严峻的挑战之一。

相关论文链接：

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