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光子引線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)多光子芯片混合組裝

近日，由Matthias Blaicher博士攜手Muhammed Rodlin Billah博士組成了一個(gè)德國(guó)光子學(xué)，量子電子學(xué)和微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，把Nanoscribe的雙光子微納技術(shù)應(yīng)用于光子引線鍵合技術(shù)上，實(shí)現(xiàn)了硅光子調(diào)制器陣列與激光器和單模光纖之間的鍵合，制造出光通信引擎。此項(xiàng)研究成果發(fā)表在《自然-光：科學(xué)與應(yīng)用》學(xué)術(shù)期刊上。（Light: Science & Applications）

研究人員利用Nanoscribe公司3D光刻技術(shù)將光學(xué)引線鍵合到芯片上，從而有效地將各種光子集成平臺(tái)連接起來(lái)。此外，研究人員還簡(jiǎn)化了光學(xué)多階模塊的組裝過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)了從高速通信到超快速信號(hào)處理、光傳感和量子信息處理等多種應(yīng)用的轉(zhuǎn)換。

什么是光子引線鍵合技術(shù)

自由光波導(dǎo)三維(3D)納米打印技術(shù)，即光子引線鍵合技術(shù)，可以有效地耦合在光子芯片之間，從而大大簡(jiǎn)化了光學(xué)系統(tǒng)的組裝。光子絲鍵合的形狀和軌跡具有關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，可替代依賴于技術(shù)復(fù)雜且昂貴的高精度對(duì)準(zhǔn)的常規(guī)光學(xué)裝配技術(shù)。

光子引線鍵合技術(shù)的重要性

光子集成是實(shí)現(xiàn)各種量子技術(shù)的關(guān)鍵方法。該領(lǐng)域的大多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品都依賴于需要耦合元件的光子芯片的獨(dú)立組裝，如片上適配器和體微透鏡或重定向鏡等。組裝這些系統(tǒng)需要復(fù)雜的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，在器件開(kāi)發(fā)過(guò)程中持續(xù)監(jiān)控耦合效率，成本高且產(chǎn)量低，使得光子集成電路（PIC）晶圓量產(chǎn)困難重重。

研究人員結(jié)合了常規(guī)系統(tǒng)的性能和靈活性，使用Nanoscribe公司的增材制造納米加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整體集成的緊湊性和可擴(kuò)展性。為了在光子器件上設(shè)計(jì)自由形式的聚合物波導(dǎo)，該團(tuán)隊(duì)依靠光子引線鍵合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化高效光學(xué)耦合。

光子引線鍵合技術(shù)的可微縮性和穩(wěn)定性

在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員設(shè)計(jì)了100個(gè)間隔緊密的光學(xué)引線鍵（PWB）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為簡(jiǎn)化先進(jìn)光子多芯片系統(tǒng)組裝奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)?zāi)K包含多個(gè)基于不同材料體系的光子芯片，包括磷化銦（InP）和絕緣體上硅（SOI）。實(shí)驗(yàn)中的組裝步驟不需要高精度對(duì)準(zhǔn)，研究人員利用三維自由曲面光子引線鍵合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了芯片到芯片和光纖到芯片的連接。

在制造PWB之前，研究人員使用三維成像和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)芯片上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行了檢測(cè)。然后，使用Nanoscribe的雙光子光刻技術(shù)制造光學(xué)引線鍵，其分辨率達(dá)到了亞微米級(jí)。研究團(tuán)隊(duì)將光學(xué)夾并排放置在設(shè)備中，以防止高效熱連接中的熱瓶頸。混合多芯片組件（MCM）依賴于硅光子（SiP）芯片與磷化銦光源和輸出傳輸光纖的有效連接。研究團(tuán)隊(duì)還將磷化銦光源作為水平腔面發(fā)射激光器（HCSEL），當(dāng)他們將光學(xué)引線鍵與微透鏡結(jié)合在一起時(shí)，可以方便地將光學(xué)平面外連接到芯片表面。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 1

在實(shí)驗(yàn)1中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用深紫外光刻技術(shù)制造了測(cè)試芯片，結(jié)果表明光學(xué)引線鍵能夠提供低損耗的光學(xué)連接。每個(gè)測(cè)試芯片包含100個(gè)待測(cè)試的鍵合結(jié)構(gòu)，以從光纖芯片耦合損耗中分離出光學(xué)引線鍵損耗。光學(xué)引線鍵的實(shí)驗(yàn)室制造可實(shí)現(xiàn)*自動(dòng)化，每個(gè)鍵的連接時(shí)間僅為30秒左右，實(shí)驗(yàn)表明該時(shí)間可進(jìn)一步縮短。研究團(tuán)隊(duì)還在其他測(cè)試芯片上進(jìn)行了重復(fù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該工藝突出的可重復(fù)性。隨后，研究人員還進(jìn)行了-40℃至85℃的多溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，以證明該結(jié)構(gòu)在技術(shù)相關(guān)環(huán)境條件下的可靠性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，光學(xué)引線鍵沒(méi)有發(fā)生性能降低或是結(jié)構(gòu)改變的情況。為了解光學(xué)引線鍵結(jié)構(gòu)的高功率處理能力，研究人員還對(duì)樣品進(jìn)行了1550納米波長(zhǎng)的連續(xù)激光照射，且光功率不斷增加。研究結(jié)果顯示，在工業(yè)相關(guān)環(huán)境及實(shí)際功率水平中，光學(xué)引線鍵可以保證高性能。

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn) 2

在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)制造了一個(gè)用于相干通信的四通道多階發(fā)射機(jī)模組。在該模組中，研究人員將包含光學(xué)引線鍵的混合多芯片集成系統(tǒng)與電光調(diào)制器的混合片上集成系統(tǒng)相結(jié)合，并將硅光子芯片納米線波導(dǎo)與高效電光材料相結(jié)合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模組具有低功耗、效率高的優(yōu)點(diǎn)。

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參考文獻(xiàn)：

Hybrid multi-chip assembly of optical communication engines via 3-D nanolithography

by Thamarasee Jeewandara , Phys.org