通过直接激光写入制造低损耗光纤耦合体积互连

2024-07-24 Wed
背景介绍光子集成电路（PICs）对于实现高速数据传输具有重要意义。然而，由于传统光子集成电路只采用单平面或少数堆叠平面，光学信号路由受限。此外，在实际应用中，耦合损耗需要尽可能低。当前的光子集成电路主要通过平面制备技术构建，包括硅基绝缘体（SOI）、硅氮化物（SiN）和铌酸锂绝缘体（LNOI）等材料。然而，这些方法常常面临光路耦合损耗较高和光路复杂难以实现3D自由路径等问题。
为了克服上述限制，科研团队提出了一种新的制备方法——通过光束曝光调控的折射率（SCRIBE）技术，能够在介孔二氧化硅结构内写入准确的3D梯度折射率（GRIN）分布。本文作者旨在应用SCRIBE技术制备低损耗、宽带、偏振不敏感的光纤耦合单模3D光体互连器件，并实现任意3D路径中的波导。
论文来源2014年7月，作者Alexander J. Littlefield、Jack Huang、Mason L. Holley等人联合发布了题为《Low loss fiber-coupled volumetric interconnects fabricated via direct laser writing》的研究论文。这篇文章发表在《Optica》期刊第11卷第7期上，涉及参与研究的主要机构包括伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校电气与计算机工程等多个研究部门。
研究工作流程研究流程主要包括以下步骤：
材料选择和准备：
选择介孔二氧化硅膜作为基础材料。这种材料通过氧化高掺杂p型硅晶圆电化学孔化形成，并在900°C条件下氧化30分钟。
光学器件的设计与制备：
使用Nanoscribe Photonic Professional GT 3D打印机在介孔二氧化硅膜内进行光束曝光，打印波导、GRIN光学元件和镜片。
实验方法：
定位校准和多次曝光技术大幅提高了制备精度。另外，通过自动对准技术和使用带有抗反射涂层的光纤，显著降低了光纤到PIC的耦合损耗。
数据采集和分析：
对于不同光器件，如微环谐振器和布拉格反射器，通过测量品质因数、传播损耗和耦合损耗等关键参数，评估光器件性能及其改进情况。
研究结果详述波导路径优化：
通过光学对齐和多次曝光技术，大幅减少了波导路径中的拼接损耗。从初始的50dB减至2.14dB，另一方面通过集成模式匹配的次表面透镜和GRIN波导渐变，将纤维-波导-纤维的总互连损耗从50dB减到2.14dB。如果排除光纤阵列的损耗，总损耗只有1.47dB。
品质因数和弯曲损耗优化：
微环谐振器在不同半径条件下的性能显示，其品质因数显著提高。例如，对于半径为30 µm的微环谐振器，品质因数从4,600提升至77,000，弯曲损耗降低到3 dB/cm。
偏振旋转和波长分裂的实现：
研究展示了偏振旋转和波长分裂互连器件的功能。具体来说，制作了一个17层的MacNeille薄膜偏振分束器。这种新的分束器在1450到1700 nm的宽带范围内表现出良好的性能，分束比在1550 nm达到了+29.3 dB和−11.7 dB。
多通道阵列互连电路的实现：
在25 µm间距的六角形阵列上，成功制作了独立的七通道互连电路。光纤到芯片的耦合在所有通道中表现良好，每个通道的传输损耗均匀，且在通道之间没有明显串扰。
结论及应用价值本文充分展示了SCRIBE技术在3D光子集成电路（3D PICs）中的潜在应用前景。该技术的主要科学价值在于可以实现任意3D路径的光波导互连，并集成多种微光学元件，显著减少了光纤耦合损耗。此外，这项研究为实现新型3D光子学器件提供了可行的工艺手段，为未来电信和数据中心中的高密度光学互连和布局转换等应用场景打开了新的大门。
亮点总结显著降低了耦合损耗：
通过次表面透镜和GRIN波导渐变技术，将光纤到波导的耦合损耗降低到0.45 dB。
提高了波导和微环谐振器的品质因数：
采用多次曝光技术和位置校准，大幅提高了波导和微环谐振器的性能，品质因数达到77,000，弯曲损耗减至3 dB/cm。
偏振旋转和波长分裂功能：
成功实现了偏振旋转和波长分裂器件，展示了通过SCRIBE技术可以集成复杂光学功能。
未来研究方向未来的研究方向可能包括通过SCRIBE技术进一步整合III-V和SOI光子集成电路，研究更高折射率的光刻胶以减少弯曲损耗和提高镜片聚焦效率。此外，可以探索更高效的并行打印系统以满足大规模生产需求。
这项研究在光纤耦合光子集成电路领域迈出了关键一步，为未来3D光子技术的发展奠定了坚实基础。