3D纳米增材制造用于光子集成

       混合光子集成结合了不同材料的优势互补，提供了性能优异及相比单片电路制造方法更大的灵活性。其应用在多芯片概念方面，可以实现器件的单独优化和测试。

      直到现在这些系统的组装，仍然需要昂贵的光模高精度校准及调试。

  现有的这些挑战可以通过原位打印面连接式的光束型单元来克服。Vanguard PHOTONICS的技术方法已经可以适应很大范围不同的模式，并且允许校准误差与成本效率的无源装配技术相兼容。其阐述了通过选择波束形单元及光纤端面，实现耦合效率达到88%介于边缘发射激光和单模光纤之间。其同样也实现了打印任意形状的反光镜，可以同时适应波束形状和传输方向。VanguardPHOTONICS 正在面向波束扩展开展多透镜系统方面的研究。这项概念铺平了光子多芯片系统的自动化装配的道路，使其具有不可估量的性能和多功能性。

卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）近期发表了采用3D打印任意形状的光学透镜来实现了单模器件的连接（文章发表在：Nature Photonics，链接：https://www./articles/s41566-018-0133-4to find out more）

光子引线键合

       在过去的十年，大量的工艺被用在光子电路芯片集成上。工业领域及研究机构均在光子电路方面投入了大量的研究。然而，从离散的芯片封装和组装光子系统仍然具有很大的技术和商业挑战。在很多情况下，由于缺乏工业可行的组装技术而阻碍了光子系统集成的商业化，即使在基本芯片级构建模块已经成为可能的情况下。

       在这背后基本的问题在于耦合光子芯片比耦合电子芯片难度更大：在电子方面，一个简单的导电连接只需要引导电子从这个芯片到另外一个，而低损耗的光子连接则需要很小心的匹配模场的尺寸及极为精确地校准光子芯片，这样光从一个芯片的出口端才能直接耦合至另一个芯片的进口端。当碰到半导体基的光子芯片时，相比波导其运载有高指数直径在1μm或者更小的模场，这就具有很大难度了。组装这样的系统则需要所谓的主动校准技术，在校准过程中光子耦合效率可以连续被监测到及优化。这些工艺过程都非常慢，而且通常需要涉及到很贵的人工组装。此外，在芯片具有不同模场的情况下，则需要额外的单元像微型透镜等，这将进一步使系统组装复杂化。

       Vanguard的专有技术可以解决这些局限性，其通过高端的3D打印制造技术来构建光波导和微型光器件来实现。这就引出了光子键合的概念，其可以被认为类似于电子领域的金丝键合工艺。光子键合（PWB-Photonic wirebonds）是任意的单模光波导可以有效连接集成光子芯片之间或者于其他光纤。见下图所示。KIT大学已经证实了光子键合可以实现各种不同芯片波导及光纤的连接，（下图 b、c）。光子键合波导的横向尺寸通常在1~2μm，间距可以小于5μm，可以在芯片边缘形成上百个光子键合点。针对于绝缘硅基波导的连接，插损可以达到1~2dB，已经被证实在1200nm~1600nm波长长度范围内会有轻微波动。当光子键合多芯光纤或者磷化铟基（InP）的芯片时可以获得相似的损耗数值。

光子键合的制造

       基于双光子耦合的3D激光直写光刻技术制备光子键合主要包含以下几个步骤：

步骤1：

需要采用中等精度的拾取放置设备将光子芯片和光纤固定在通常的基板上。

步骤2：

在互联区域嵌入光致抗蚀剂，并采用低于100nm精度的3D视觉设备探测在抗蚀剂中实际光波导面和耦合结构的位置。

步骤3：

根据记录的端面位置和确定的双光子耦合技术来设计光子键合的波导形状。

步骤4：

将未曝光的抗蚀剂材料进行清除，然后将这个结构嵌入低指数的镀层材料中。

  因为键合形状与耦合界面位置相匹配，高精度光学芯片校准则可以被去掉。而且采用任意锥形波导，光子键合可以应对各种不同模场的器件连接。这项技术可以完全自动化，且非常适合于批量化生产。

       小编认为这项技术展示了双光子耦合技术在未来光电耦合方面具有非常大的应用潜力。

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