3D打印刻面附着微透镜可以克服光子封装挑战
随着新应用的不断涌现，光子集成电路(PIC) 正处于重大共产党的边缘。这一成功很大程度上依赖于先进的晶圆级小型化光子器件制造，将出色的功能和稳健性与前所未有的性能和可扩展性相结合。
然而，尽管通过专门的代工服务已广泛实现具有成本效益的 PIC 大规模生产，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。
具体来说，封装级光学芯片到芯片和光纤到芯片的连接通常依赖于所谓的对接耦合，其中器件面靠近或直接物理接触。这种方法通常需要亚微米精度的高精度主动对准，从而使装配过程变得复杂。此外，匹配模场可能具有挑战性，特别是在连接折射率对比截然不同的波导时。
在《光：应用制造》杂志上发表的一篇新论文中，由卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 的 Yilin Xu 博士和 Christian Koos 教授领导的科学家团队证明，3D 打印的刻面附着微透镜 (FaML) 可以克服可扩展性挑战基于 PIC 的解决方案。
FaML 可以使用多光子光刻技术高精度地打印到光学元件的面，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。具体来说，光束可以被准直到相对较大的直径，而与设备特定的模场无关。这种方法放宽了轴向和横向对准公差。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挡块的被动装配技术所取代。此外，FaML 概念允许将分立光学元件(例如光隔离器或偏振分束器)插入到 PIC 面之间的自由空间光束路径中。
在之前的工作基础上，研究人员在一系列选定的具有高度技术相关性的演示中展示了该计划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 1.4 dB，横向平移 1 dB 对准容差为 ± 6 μm。这是具有微米级对准公差的边缘发射 SiP 波导接口所证明的最低损耗。研究人员进一步证明，他们的方案出色的对准公差允许使用传统注塑零件实现非接触式可插拔光纤芯片接口。
在第二组实验中，他们使用标准机器视觉技术进行对准，展示了毫米范围内距离的自由空间传输。第三组实验最终致力于 InP 激光器和 SMF 阵列之间的接口。在这些实验中，研究人员演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性演示，研究人员相信他们的概念为先进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 概念开辟了一条通向可扩展且灵活的光子封装概念的道路，这些概念补充了底层 PIC 的晶圆级大规模制造，解决了当今集成光学最严峻的挑战之一。
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