3D打印贴面微透镜可克服光子封装的挑战

通过解锁新的应用，光子集成电路(PICs)正处于重大颠覆的边缘。这一成功，在很大程度上依赖于先进的晶圆级小型化光子器件制造，将出色的功能和鲁棒性与前所未有的性能和可扩展性相结合。

不过，虽然通过专门的代工服务，具有成本效益的PIC大规模生产已经广泛可用，但可扩展的光子封装和系统组装仍然是加速商业应用的重大挑战和障碍。

图1.基于3D打印面附着微透镜的光学组件示意图

具体来说，封装级光学芯片对芯片和光纤对芯片的连接通常依赖于所谓的对接耦合，其中器件面紧密相连或直接物理接触。这种方法通常需要亚微米精度的高精度主动对准，从而使装配过程复杂化。此外，匹配模式场可能具有挑战性，特别是在连接具有不同折射率对比的波导时。

最新发表在《光:先进制造》杂志上的一篇论文中，由卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)的Yilin Xu博士和Christian Koos教授领导的一组科学家已经证明，3D打印的贴面微透镜(FaML)可以克服基于PIC的解决方案的可扩展性挑战。

图2.单模光纤阵列(FA)和边缘发射SiP波导阵列之间的耦合使用3d打印面附着微透镜(FaML，中间的显微镜图像)。左边和右边的插图(i)和(ii)分别显示了SiP和FA侧FaML的放大扫描电子显微镜(SEM)图像。

FaML可以使用多光子光刻技术高精度地印刷到光学元件的各个方面，从而提供了通过自由设计的折射或反射表面来塑造发射光束的可能性。具体地说，光束可以被准直到一个相对较大的直径，独立于器件特定的模式场。这种方法放松了轴向和横向对中公差。

他们的发现意味着昂贵的主动对准已经过时，可以被基于机器视觉或简单机械停止的被动装配技术所取代。此外，FaML概念允许在PIC面之间的自由空间光束路径中插入离散光学元件，如光隔离器或偏振分束器。

在他们之前工作的基础上，研究人员在一系列高技术相关性的选定演示中展示了该方案的可行性和多功能性。在第一组实验中，他们将光纤阵列耦合到边缘耦合硅光子(SiP)芯片阵列，每个接口的插入损耗达到1.4dB，平移横向1dB对准公差为±6μm。

这是具有微米级校准公差的边发射SiP波导接口的最低损耗。研究人员进一步证明，他们的方案具有出色的对准公差，可以使用传统的注塑成型部件实现非接触式可插拔光纤芯片接口。

图3.演示了一个组件，该组件由一个有角度的DFB激光阵列通过激光器和光纤面上的专用FaML耦合到一个单模光纤阵列(FA)。

在第二组实验中，研究人员展示了在毫米范围内的自由空间传输，使用标准的机器视觉技术进行校准。第三组实验最终致力于InP激光器和SMF阵列之间的界面。在这些实验中，研究人员展示了平面器件通过仅包含倾斜光学表面的非平面光束路径的耦合，从而提供超低背反射。

基于FaML方法出色的多功能性的示范，研究人员相信他们的概念为先进的光子系统组装开辟了一条有吸引力的道路，可以克服当前的大多数挑战。FaML概念为可扩展和灵活的光子封装概念开辟了一条道路，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。

审核编辑：汤梓红