Driedimensionaal (3-D) nanoprinten van vrije-vorm optische golfgeleiders, ook bekend als fotonische draadbinding, kan efficiënt koppelen tussen fotonische chips om de assemblage van het optische systeem aanzienlijk te vereenvoudigen. De vorm en het traject van fotonische draadverbindingen biedt een belangrijk voordeel als alternatief voor conventionele optische assemblagetechnieken die afhankelijk zijn van technisch complexe en dure zeer nauwkeurige uitlijning. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op Natuur:Licht, Wetenschap &toepassingen , Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah en een onderzoeksteam in fotonica, kwantumelektronica en microstructuurtechnologie in Duitsland, optische communicatie-engines gedemonstreerd. Het apparaat vertrouwde op fotonische draadbinding om arrays van siliciumfotonische modulatoren te verbinden met lasers en single-mode vezels. Ze ontwikkelden de fotonische draadbindingen op de chips in het laboratorium met behulp van geavanceerde 3D-lithografie om een ​​verscheidenheid aan fotonische integratieplatforms efficiënt met elkaar te verbinden. De wetenschappers vereenvoudigden de assemblage van geavanceerde fotonische meerstapsmodules om een ​​verscheidenheid aan toepassingen te transformeren, variërend van hogesnelheidscommunicatie tot ultrasnelle signaalverwerking, optische detectie, en kwantuminformatieverwerking.

Fotonische integratie is een belangrijke methode om een ​​verscheidenheid aan kwantumtechnologieën te transformeren. De meeste commerciële producten in het veld vertrouwen op de discrete assemblage van fotonische chips waarvoor koppelingselementen nodig zijn, zoals on-chip adapters en omvangrijke microlenzen, of het omleiden van spiegels. Het assembleren van dergelijke systemen vereist een technisch complexe actieve uitlijning, om de koppelingsefficiëntie tijdens de ontwikkeling van het apparaat continu te bewaken. Dergelijke technieken worden geclassificeerd als methoden met hoge kosten en lage doorvoer, en als gevolg daarvan stellen ze alle voordelen van massaproductie op waferschaal van fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC) tegen. In dit onderzoek, Blaicher et al. combineerde de prestaties en flexibiliteit van conventionele systemen met de compactheid en schaalbaarheid voor monolithische integratie met behulp van geavanceerde additieve nanofabricagetechnieken. Om vrije-vorm polymeer golfgeleiders op fotonische apparaten te ontwerpen, het team vertrouwde op direct-write-two-photon-lithografie. De methode staat ook bekend als fotonische draadbinding om een ​​zeer efficiënte optische koppeling in een volledig geautomatiseerd proces mogelijk te maken.

Tijdens de experimenten Blaicher et al. ontworpen 100 dicht gespreide fotonische draadbindingen (PWB's). De experimentele resultaten vormden de basis voor de vereenvoudigde assemblage van geavanceerde fotonische multichipsystemen. De experimentele module bevatte meerdere fotonische matrijzen op basis van verschillende materiaalsystemen, waaronder indiumfosfide (InP) of silicium-op-isolator (SOI). De experimentele montagestappen vereisten geen zeer nauwkeurige uitlijning en de wetenschappers bereikten chip-to-chip- en fibre-to-chip-verbindingen met behulp van 3D-freeform fotonische draadbindingen. Voordat PWB's worden gefabriceerd, Blaicher et al. gedetecteerde uitlijnmarkeringen op de chip met behulp van 3D-beeldvorming en computervisietechnieken. Daarna, ze gebruikten lithografie met twee fotonen om de PWB's te fabriceren, waardoor resolutie op submicronschaal mogelijk is. Het team plaatste optische clips naast elkaar in de opstelling om thermische knelpunten voor een efficiënte thermische verbinding te voorkomen. De hybride multichip-module (MCM) vertrouwde op efficiënte verbindingen van de silicium-fotonische (SiP)-chip met de InP-lichtbron en met de uitgangstransmissievezel. Het team realiseerde de lichtbronnen als horizontale holte-oppervlakte-emitterende lasers (HCSEL's) en toen ze de PWB's combineerden met microlenzen, ze zouden optische out-of-plane verbindingen met het chipoppervlak kunnen vergemakkelijken.

In het eerste experiment, met behulp van testchips vervaardigd via diep-UV-lithografie, het team toonde aan dat PWB's optische verbindingen met weinig verlies leverden. Elke testchip bevatte 100 teststructuren om het PWB-verlies te scheiden van het verlies van de vezelchip-koppeling. De in-lab fabricage van PWB was volledig geautomatiseerd, het duurt ongeveer 30 seconden per verbinding en het proces kan verder worden versneld. Het team behaalde vergelijkbare resultaten door de experimenten op andere testchips te repliceren om de uitstekende reproduceerbaarheid van het proces duidelijk aan te tonen. De wetenschappers stelden het monster vervolgens bloot aan meerdere temperatuurcycli variërend van -40 ° C tot 85 ° C om de betrouwbaarheid van de structuren onder technisch relevante omgevingsomstandigheden aan te tonen. De monsters ondergingen tijdens de experimenten geen prestatievermindering of vervorming. Om het vermogen van de PWB-structuren met hoog vermogen te begrijpen, ze onderwierpen de monsters aan continue laserbestraling bij 1550 nm, met toenemende optische vermogensniveaus. De experimenten toonden de mogelijkheid aan om PWB's te gebruiken voor hoge prestaties in industrieel relevante omgevingen en onder realistische vermogensniveaus.

Om vervolgens de technische haalbaarheid van de PWB-aanpak aan te tonen, Blaicher et al. realiseerde een functionele achtkanaals fotonische multi-chip transmitter (Tx)-engine die op InP gebaseerde laserarrays en SiP (silicium photonic chip) modulatorarrays combineerde om de intensiteit te moduleren. Het complete samenstel bevatte twee arrays van vier horizontale holte-oppervlak-emitterende lasers, verbonden via PWB's met een reeks Mach Zehnder-modulaties van het lopende-golf-uitputtingstype. De demonstratie was een proof-of-principle, ruimte laten voor optimalisatie.

Tijdens de tweede reeks experimenten, het team vormde een vierkanaals meerstaps zendermodule voor coherente communicatie. In deze module ze combineerden hybride multi-chip integratie met PWB's met hybride on-chip integratie van elektro-optische modulatoren, om de SiP nanodraad-golfgeleiders te combineren met zeer efficiënte elektro-optische materialen. De opstelling resulteerde in zeer efficiënte apparaten met een laag stroomverbruik.

Op deze manier, Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah and colleagues conducted 3-D nanofabrication of photonic wire bonds (PWBs) to overcome the existing limits of hybrid photonic integration approaches. The team demonstrated the viability of the experimental setup using two key protocols to realize two different hybrid multi-chip transmitter engines. While the team focused on transmitter modules for high speed optical communication during this work, the technology may unlock a wide range of novel applications that benefit from the advantages of hybrid photonic integration.

© 2020 Wetenschap X Netwerk