3D打印的面贴附微透镜克服基于PIC的可扩展性挑战

光子集成电路（PIC）正因能够实现新颖的应用而处于重大颠覆技术的边缘。这一成功很大程度上依赖于晶圆级小型化光子器件制造，将高功能性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，芯片到芯片和光纤到芯片的连接通常依赖于对接耦合，其中器件表面彼此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，匹配模式场可能具有挑战性，特别是在连接折射率对比度显着不同的波导时。

据麦姆斯咨询报道，近期，由德国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已经证明，3D打印的面贴附微透镜（Facet-attached microlenses，FaML）可以克服基于PIC的解决方案的可扩展性挑战。他们的研究成果以“3D-printed facet-attached microlenses for advanced photonic system assembly”为题在Light: Applied Manufacturing期刊上发表。

基于3D打印的面贴附微透镜（FaML）的光学组件

FaML可以通过多光子光刻技术高精度地打印到光学元件的平面上，从而提供了通过自由设计的折射或反射表面来形成发射光束的可能性。光束可以被准直到相对较大的直径，而与器件特定的模式场无关。这种方法放宽了轴向和横向对准公差。

卡尔斯鲁厄理工学院研究小组表示，他们的发现“意味着成本高昂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。

FaML与偏振分束光学组件耦合实验

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1.4 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磷化铟（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，从而提供超低的背反射。

审核编辑：刘清