Fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's) zijn compacte apparaten die meerdere optische componenten op één chip combineren. Ze hebben een breed scala aan toepassingen op het gebied van communicatie, bereik, detectie, computers, spectroscopie en kwantumtechnologie. PIC's worden nu vervaardigd met behulp van volwassen halfgeleiderfabricagetechnologieën. Het heeft de kosten verlaagd en de prestaties verbeterd. Dit maakt PIC's een veelbelovende technologie voor een verscheidenheid aan toepassingen.

Fotonische verpakkingen vormen een veel grotere uitdaging dan elektronische verpakkingen. PIC's vereisen een veel hogere uitlijningsnauwkeurigheid, meestal op micron- of zelfs submicronniveau. Dit komt omdat de optische modi van PIC's nauwkeurig op elkaar afgestemd moeten zijn.

De nauwe uitlijningstolerantie van PIC's maakt ze incompatibel met reguliere elektronische verpakkingstechnieken en -infrastructuur. Bovendien vormt de toenemende vraag naar heterogene of hybride integratie van meerdere materiaalplatforms (zoals silicium III-V en lithiumniobiet) een andere uitdaging voor fotonische verpakkingen. Nieuwe verpakkingstechnologieën en apparaatarchitecturen zijn nodig om deze uitdagingen aan te pakken.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Light:Advanced Manufacturing heeft een team van wetenschappers onder leiding van Dr. Shaoliang Yu en Qingyang Du nieuwe verpakkingstechnologieën ontwikkeld.

Twee-fotonenlithografie (TPL) is een lasergebaseerde technologie die kan worden gebruikt om 3D-structuren met een zeer hoge resolutie te creëren. Het is onlangs naar voren gekomen als een veelbelovende aanpak voor fotonische verpakkingen, het proces waarbij fotonische componenten in één systeem worden samengevoegd en verbonden.

TPL biedt verschillende unieke voordelen voor fotonische verpakkingen. TPL kan worden gebruikt om verschillende 3D-fotonische structuren te creëren, zoals bundelvormers en modustransformatoren. Dit is belangrijk voor het bereiken van een hoge koppelingsefficiëntie en grote bandbreedtes bij het aansluiten van verschillende optische componenten in een systeem.

Ook kan het na montage optische verbindingen vormen tussen fotonische componenten. Dit komt omdat de vorm van de verbindingen kan worden aangepast aan de relatieve verplaatsing tussen de componenten. Dit versoepelt de uitlijningstolerantie tijdens PIC-assemblage en maakt het gebruik van standaard elektronische assemblagetechnieken mogelijk.

TPL kan 2,5D- of 3D-links met hoge kanaaldichtheid en weinig verlies creëren om de hoogteverschillen tussen de optische poorten in een pakket op te vangen. Dit is vooral belangrijk voor hybride integratie, waarbij modules op verschillende substraten met verschillende diktes van een patroon worden voorzien.

TPL kan worden gebruikt om micro- en nanomechanische structuren te vormen om de nauwkeurige plaatsing van componenten in een passief uitlijningsproces of insteekbare optische connectoren te begeleiden.

Naast deze voordelen zijn TPL-harsen doorgaans breedbandig en hebben ze een lage optische demping, waardoor ze geschikt zijn voor het bouwen van optische verbindingen met weinig verlies tussen verschillende materiaalplatforms.

Over het geheel genomen is TPL een veelzijdige en krachtige technologie voor fotonische verpakkingen. Het biedt verschillende unieke voordelen die kunnen helpen bij het aanpakken van de uitdagingen van verpakkings-PIC's, zoals de nauwe uitlijningstolerantie en de behoefte aan heterogene of hybride integratie. Nu de fotonica-industrie steeds meer gebruik maakt van TPL, zijn er verdere onderzoeks- en ontwikkelingsinspanningen gaande om de productiecapaciteit van TPL te vergroten, het materiaalrepertoire uit te breiden en nieuwe ontwerp- en karakteriseringsinstrumenten te ontwikkelen.

Meer informatie: Shaoliang Yu et al, Twee-fotonenlithografie voor geïntegreerde fotonische verpakkingen, Light:Advanced Manufacturing (2023). DOI:10.37188/lam.2023.032

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen