光子引線鍵合技術(shù)實現(xiàn)光子芯片混合組裝 。【據(jù)物理學(xué)組織網(wǎng)站2020年5月14日報道】自由曲面光波導(dǎo)的三維（3-D）納米打印技術(shù)（也被稱為光學(xué)引線鍵合技術(shù)），可以在光子芯片之間有效地進(jìn)行耦合，從而大大簡化光學(xué)系統(tǒng)的組裝過程。傳統(tǒng)的光學(xué)組裝技術(shù)依賴于復(fù)雜且成本高昂的高精度對準(zhǔn)技術(shù)，而光學(xué)引線鍵合技術(shù)則避免了這一過程，并且其在鍵合形狀和軌跡方面有著明顯的優(yōu)勢，因此可以替代傳統(tǒng)的光學(xué)組裝技術(shù)。近日，德國光子學(xué)、量子電子學(xué)和微結(jié)構(gòu)技術(shù)研究團(tuán)隊，在《自然：光、科學(xué)及應(yīng)用》發(fā)表了一項新研究，研究人員利用光學(xué)引線鍵合技術(shù)，將硅光子調(diào)制器陣列與激光器和單模光纖之間的鍵合。在實驗室里，研究人員利用先進(jìn)的三維光刻技術(shù)將光學(xué)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，研究人員還簡化了先進(jìn)的光學(xué)多階模組的組裝過程，從而實現(xiàn)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(yīng)用的轉(zhuǎn)換。

      光子集成是實現(xiàn)各種量子技術(shù)的關(guān)鍵方法。該領(lǐng)域的大多數(shù)商業(yè)產(chǎn)品都依賴于光子芯片的獨(dú)立組裝，因此這些芯片需要耦合元件進(jìn)行連接，如片上適配器和微透鏡或重定向鏡等。光學(xué)系統(tǒng)的組裝需要復(fù)雜的主動對準(zhǔn)技術(shù)，以在器件開發(fā)過程中持續(xù)監(jiān)控耦合效率。該方法成本高且產(chǎn)量低，這使得光子集成電路（PIC）的晶圓量產(chǎn)困難重重。在新研究中，研究人員將傳統(tǒng)系統(tǒng)的性能和靈活性優(yōu)勢與利用先進(jìn)增材納米加工技術(shù)進(jìn)行整體集成的緊湊性和可擴(kuò)展性優(yōu)勢結(jié)合到了一起。為了在光子器件上設(shè)計出自由曲面聚合物波導(dǎo)，該團(tuán)隊利用光學(xué)引線鍵合技術(shù)實現(xiàn)全自動化地高效光耦合。

      研究人員設(shè)計了100個間隔緊密的光學(xué)引線鍵（PWB），該實驗為簡化先進(jìn)光子多芯片系統(tǒng)組裝奠定了基礎(chǔ)。實驗?zāi)K包含多個基于不同材料體系的光子模具，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(zhǔn)，研究人員利用三維自由曲面光學(xué)引線鍵合技術(shù)實現(xiàn)了芯片到芯片和光纖到芯片的連接。此外，研究人員使用三維成像和計算機(jī)視覺技術(shù)對芯片上的對準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行了檢測。然后，使用雙光子光刻技術(shù)制造光學(xué)引線鍵，其分辨率達(dá)到了亞微米級。研究團(tuán)隊將光學(xué)夾并排放置在設(shè)備中，以防止熱效應(yīng)，并實現(xiàn)高效地?zé)徇B接?；旌隙嘈酒M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(tuán)隊還將磷化銦光源作為水平腔面發(fā)射激光器（HCSEL），以便當(dāng)他們將光學(xué)引線鍵與微透鏡結(jié)合在一起時，可以方便地將光學(xué)平面外連接到芯片表面。

      在第 一個實驗中，研究團(tuán)隊通過使用深紫外光刻技術(shù)制造了測試芯片，結(jié)果表明光學(xué)引線鍵能夠提供低損耗的光學(xué)連接。每個測試芯片包含100個待測試的鍵合結(jié)構(gòu)，以從光纖芯片耦合損耗中分離出光學(xué)引線鍵損耗。光學(xué)引線鍵的制造可實現(xiàn)完全自動化，每個鍵的連接時間僅為30秒左右，實驗表明該時間可進(jìn)一步縮短。研究團(tuán)隊還在其他測試芯片上進(jìn)行了重復(fù)實驗，對比的實驗結(jié)果驗證了該工藝優(yōu)秀的可重復(fù)性。隨后，研究人員還進(jìn)行了-40攝氏度至85攝氏度的多溫度循環(huán)實驗，以證明該結(jié)構(gòu)在技術(shù)相關(guān)環(huán)境條件下的可靠性。實驗過程中，光學(xué)引線鍵沒有發(fā)生性能降低或是結(jié)構(gòu)改變的情況。為了解光學(xué)引線鍵結(jié)構(gòu)的高功率處理能力，研究人員還對樣品進(jìn)行了1550納米波長的連續(xù)激光照射，實驗結(jié)果表明，隨著光功率的增加，光學(xué)引線鍵沒有發(fā)生性能降低或是結(jié)構(gòu)改變的情況。研究人員得出結(jié)論，在工業(yè)相關(guān)環(huán)境及實際功率水平中，光子引線鍵合可以保證高性能的狀態(tài)。

      為證明光學(xué)引線鍵合技術(shù)的可行性，研究人員制造了一個功能性的八通道光子多芯片發(fā)射機(jī)（Tx）引擎，該引擎結(jié)合了磷化銦激光陣列和硅光子芯片調(diào)制器陣列來調(diào)制強(qiáng)度。完整的組件包含兩個由四個水平腔面發(fā)射激光器組成的陣列，激光器陣列通過光學(xué)引線鍵連接到一個行波損耗型的馬赫-曾德爾調(diào)制器陣列。該演示結(jié)構(gòu)旨在進(jìn)行原理驗證，仍有優(yōu)化空間。

      在第二個實驗中，研究團(tuán)隊制造了一個用于相干通信的四通道多階發(fā)射機(jī)模組。在該模組中，研究人員將包含光學(xué)引線鍵的混合多芯片集成系統(tǒng)與電光調(diào)制器的混合片上集成系統(tǒng)相結(jié)合，并將硅光子芯片納米線波導(dǎo)與高效電光材料相結(jié)合。實驗結(jié)果表明，該模組具有低功耗、效率高的優(yōu)點。

       研究團(tuán)隊通過以上實驗，突破了現(xiàn)有混合光子集成方法的限制，實現(xiàn)了光學(xué)引線鍵的三維納米制造。該團(tuán)隊通過研制兩種不同的混合多芯片發(fā)射機(jī)引擎，驗證了這種制造方法的可行性。雖然在這項工作中，研究團(tuán)隊只專注于將該技術(shù)用于高速光通信的發(fā)射機(jī)模組，但該技術(shù)具有混合光子集成的優(yōu)勢，非常具有廣泛應(yīng)用的潛力。（國家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心 劉彧寬）