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光子引線鍵合技術實現多光子芯片混合組裝

近日，由Matthias Blaicher博士攜手Muhammed Rodlin Billah博士組成了一個德國光子學，量子電子學和微結構技術研究團隊，把Nanoscribe的雙光子微納技術應用于光子引線鍵合技術上，實現了硅光子調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。此項研究成果發表在《自然-光：科學與應用》學術期刊上。（Light: Science & Applications）

研究人員利用Nanoscribe公司3D光刻技術將光學引線鍵合到芯片上，從而有效地將各種光子集成平臺連接起來。此外，研究人員還簡化了光學多階模塊的組裝過程，從而實現了從高速通信到超快速信號處理、光傳感和量子信息處理等多種應用的轉換。

什么是光子引線鍵合技術

自由光波導三維(3D)納米打印技術，即光子引線鍵合技術，可以有效地耦合在光子芯片之間，從而大大簡化了光學系統的組裝。光子絲鍵合的形狀和軌跡具有關鍵優勢，可替代依賴于技術復雜且昂貴的高精度對準的常規光學裝配技術。

光子引線鍵合技術的重要性

光子集成是實現各種量子技術的關鍵方法。該領域的大多數商業產品都依賴于需要耦合元件的光子芯片的獨立組裝，如片上適配器和體微透鏡或重定向鏡等。組裝這些系統需要復雜的主動對準技術，在器件開發過程中持續監控耦合效率，成本高且產量低，使得光子集成電路（PIC）晶圓量產困難重重。

研究人員結合了常規系統的性能和靈活性，使用Nanoscribe公司的增材制造納米加工技術，實現整體集成的緊湊性和可擴展性。為了在光子器件上設計自由形式的聚合物波導，該團隊依靠光子引線鍵合技術，實現全自動化高效光學耦合。

光子引線鍵合技術的可微縮性和穩定性

在實驗室中，研究人員設計了100個間隔緊密的光學引線鍵（PWB）。實驗結果為簡化先進光子多芯片系統組裝奠定了基礎。實驗模塊包含多個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）。實驗中的組裝步驟不需要高精度對準，研究人員利用三維自由曲面光子引線鍵合技術實現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算機視覺技術對芯片上的對準標記進行了檢測。然后，使用Nanoscribe的雙光子光刻技術制造光學引線鍵，其分辨率達到了亞微米級。研究團隊將光學夾并排放置在設備中，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。研究團隊還將磷化銦光源作為水平腔面發射激光器（HCSEL），當他們將光學引線鍵與微透鏡結合在一起時，可以方便地將光學平面外連接到芯片表面。

驗證實驗 1

在實驗1中，研究團隊通過使用深紫外光刻技術制造了測試芯片，結果表明光學引線鍵能夠提供低損耗的光學連接。每個測試芯片包含100個待測試的鍵合結構，以從光纖芯片耦合損耗中分離出光學引線鍵損耗。光學引線鍵的實驗室制造可實現*自動化，每個鍵的連接時間僅為30秒左右，實驗表明該時間可進一步縮短。研究團隊還在其他測試芯片上進行了重復實驗，驗證了該工藝突出的可重復性。隨后，研究人員還進行了-40℃至85℃的多溫度循環實驗，以證明該結構在技術相關環境條件下的可靠性。實驗過程中，光學引線鍵沒有發生性能降低或是結構改變的情況。為了解光學引線鍵結構的高功率處理能力，研究人員還對樣品進行了1550納米波長的連續激光照射，且光功率不斷增加。研究結果顯示，在工業相關環境及實際功率水平中，光學引線鍵可以保證高性能。

驗證實驗 2

在第二個實驗中，研究團隊制造了一個用于相干通信的四通道多階發射機模組。在該模組中，研究人員將包含光學引線鍵的混合多芯片集成系統與電光調制器的混合片上集成系統相結合，并將硅光子芯片納米線波導與高效電光材料相結合。實驗結果表明，該模組具有低功耗、效率高的優點。

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參考文獻：

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

by Thamarasee Jeewandara , Phys.org