作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 光子引线键合三维纳米印刷混合多芯片模块的概念与实现
八通道变送器的图示，实现为混合多芯片模块，包括红色的3D印刷印刷电路板
印刷电路板允许在不同集成平台上实现的光子集成电路之间的有效连接，从而结合底层材料系统的互补强度
图示的发射器将高效的磷化铟激光器与电光调制器结合在硅光子芯片上
调制器阵列通过射频扇入电驱动，并连接到单模光纤阵列
磷化铟激光芯片和硅光子发射器芯片之间的接口
光源被实现为水平腔表面发射激光器(HCSEL)，由衬底平面中的基于波导的光学腔和将光重定向到衬底法线方向17的蚀刻45°反射镜组成
光纤到芯片接口
为了有效地耦合到SMF的大模场，pwb被设计成朝向光纤面具有更大的横截面
印刷电路板的3D自由轨迹适应于相应接口的精确位置，从而替代芯片的高精度主动对准
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-0272-5 自由形式光波导的三维(3-D)纳米印刷也称为光子引线键合，可以有效地在光子芯片之间耦合，从而大大简化光学系统组装
光子线接合的形状和轨迹提供了一个关键的优势，作为依赖于技术复杂和昂贵的高精度对准的传统光学组装技术的替代
在《自然:光、科学与应用》杂志上发表的一项新研究中，马提亚斯·布莱歇、穆罕默德·罗德林·比拉和德国光子学、量子电子学和微结构技术研究小组展示了光通信引擎
该设备依靠光子线键合将硅光子调制器阵列连接到激光器和单模光纤
他们在实验室中使用先进的三维光刻技术将光子线键合到芯片上，以有效地连接各种光子集成平台
科学家们简化了先进光子多步模块的组装，以转换从高速通信到超快速信号处理、光学传感和量子信息处理等各种应用
光子集成是转变各种量子技术的关键方法
该领域的大多数商业产品依赖于光子芯片的分立组件，该组件需要耦合元件，例如片上适配器和大体积微透镜，或者重定向反射镜
组装这样的系统需要技术上复杂的主动对准，以在器件开发期间持续监控耦合效率
这种技术被归类为高成本和低产量的方法，因此它们阻碍了光子集成电路的晶片级大规模生产的任何优势
在这项研究中，布莱尔切等人
利用先进的添加纳米制造技术，将传统系统的性能和灵活性与整体集成的紧凑性和可扩展性相结合
为了在光子器件上设计出自由形状的聚合物波导，该团队依赖于直写双光子光刻技术
该方法也被称为光子引线键合，以允许在全自动过程中高效的光耦合
光子线键合的可扩展性和稳定性
(a)连接SiP条形波导锥形末端的密集片上PWB桥区域的显微照片
PWB被一层保护性低折射率包层覆盖
除了在+85℃和85%相对湿度下进行500小时的湿热试验外，样品还经受了-40℃/+85℃的500次温度循环
没有观察到透射率的变化，也没有观察到任何物理变化，例如覆层材料从SiP芯片上剥离
PWB在85℃和85 %相对湿度下的长期湿热试验
在这个例子中，平均插入损耗约为2 dB，比图1所示的略高
2的主要手稿
这种损失在整个3500小时的湿热试验中保持稳定
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-0272-5 在布莱尔切等人的实验中
工程设计的100密排光子引线键合
实验结果为先进光子多芯片系统的简化组装奠定了基础
实验模块包含多个基于不同材料系统的光子芯片，包括磷化铟或绝缘体上硅
组装的实验步骤不需要高精度对准，科学家们使用三维自由形式的光子线接合实现了芯片到芯片和光纤到芯片的连接
在制造印刷电路板之前
使用三维成像和计算机视觉技术检测芯片上的对准标记
此后，他们使用双光子光刻来制造印刷电路板，从而实现亚微米级的分辨率
该团队在设置中并排放置了光学夹，以防止有效热连接的热瓶颈
混合多芯片模块(MCM)依赖于硅光子(SiP)芯片与InP光源和输出传输光纤的有效连接
该团队将光源实现为水平腔面发射激光器，当他们将印刷电路板与微透镜结合时，它们可以促进与芯片表面的光学面外连接
自动化制造和环境稳定性
密集排列的片上PWB测试结构阵列
扫描电子显微镜(SEM)图像描绘了在专用硅光子(SiP)测试芯片上实现的100个印刷电路板阵列的子集
PWB桥连接SiP条形波导的锥形末端，中间相隔100米
结合计算机视觉的高分辨率3D成像用于以高精度(优于100纳米)自动检测光学耦合，并实现自由形式结构的高度可再现的光刻定义
波导最终被嵌入到可紫外固化的低折射率聚合物(未示出)中，该聚合物充当保护包层并允许折射率对比度的调节
柱状图显示了100个片上PWB电桥在制造后(蓝色)以及温度循环测试后(包括120次(橙色)和225次(绿色)循环)的测量插入损耗
所指示的传输包括PWBs的自由聚合物波导中的传播损耗以及两个双锥形界面到相邻SiP条形波导的总损耗
制造完成后，PWB桥的平均插入损耗为0
73分贝，标准偏差为0
15 dB，最差结构的损耗为1
2分贝
这些数字基本上不受温度循环的影响
直方图的形状略有不同，这是因为必须从温度循环的测量设置中移除样本，从而导致光纤芯片耦合效率的微小变化
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-0272-5 在第一个实验中，使用通过深紫外光刻制造的测试芯片，研究小组显示印刷电路板提供了低损耗的光学连接
每个测试芯片包含100个测试结构，以将PWB损耗与光纤芯片耦合损耗分开
PWB的实验室制造是完全自动化的，每次连接大约需要30秒，并且该过程可以进一步加快
该团队通过在其他测试芯片上复制实验获得了类似的结果，从而清楚地证明了该过程的出色可重复性
科学家随后将样品暴露在-40℃至85℃的多个温度循环下，以证明结构在技术相关环境条件下的可靠性
在实验过程中，样品没有发生性能退化或变形
为了了解PWB结构的高功率处理能力，他们对样品进行了1550纳米的连续激光照射，光功率水平不断提高
实验表明，在工业相关环境和实际功率水平下，使用印刷电路板实现高性能是可能的
结合InP激光器阵列和SiP调制器阵列的八通道多芯片发射器(Tx)模块
该模块面向最大距离为10公里的数据中心和校园网传输，使用简单的强度调制和直接检测技术
根据实验概念实现的发射组件的光学显微镜图像
马赫-曾德尔调制器阵列通过印刷电路板(此处不可见)连接到基于InP的HCSEL阵列(“激光器阵列”)和单模光纤阵列
发射功率是在单模光纤中测量的，用于调制器的最大传输，足以在数据中心和校园网的典型距离上传输，而不需要光放大器
发射功率变化主要归因于SiP芯片的非理想耦合
通道6*包含一个额外的片内3 dB分路器，用于测试，这会导致额外的损耗
使用不同调制格式和距离进行传输演示的实验装置
一个任意波形发生器被用来驱动微波谐振腔
在演示中，调制器通过一个在输入端传递驱动信号的射频探头和另一个在输出端提供50ω端接的射频探头依次工作
光信号通过长达10公里的标准SMF传输，并由包含光电探测器和高速跨阻放大器的光接收器检测
实时示波器用于捕捉电信号，以供后续离线处理
不同距离传输的眼图，具有不同的调制格式和符号率
正如发射功率所预期的那样，8频道显示最大的张开眼，而6频道被噪声扭曲
不同距离、不同调制格式和符号率的传输的估计误码率
对于所有实验，误码率保持在7%的高清前向纠错阈值以下
模块线路总速率为448千兆比特/秒
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1038/s 14377-020-0272-5 为了证明PWB方法的技术可行性
实现了一个基于InP的激光阵列和SiP(硅光子芯片)调制器阵列相结合的功能性八通道光子多芯片发射机(Tx)引擎来调制强度
完整的组件包含两个阵列的四个水平腔表面发射激光器，通过印刷电路板连接到一个阵列的行波耗尽型马赫曾德尔调制
这个演示是原则的证明，为优化留下了空间
在第二系列实验中，该团队形成了一个用于相干通信的四通道多步发射器模块
在这个模块中，他们将包含印刷电路板的混合多芯片集成与电光调制器的混合片上集成相结合，将SiP纳米线波导与高效电光材料相结合
该设置产生了具有低功耗的高效设备
四通道相干发射机模块结合了芯片和封装级别的混合集成概念
艺术家对多芯片模块的印象，多芯片模块由四个基于磷化铟的高功率半导体发光二极管光源、一个由四个硅-有机混合调制器组成的阵列和四根传输光纤组成，所有这些都通过光子引线键合连接在一起
整个发射模块的总尺寸为4 × 1
5 mm2
一个超高马赫-曾德尔调制器(MZM)的俯视图和横截面
有机电光材料(红色轮廓)在PWB制造之后被微分配
MZM由两个缝隙波导相位调制器组成，由一条接地-信号-接地(GSG)结构的共面传输线以推挽模式驱动
在缝隙波导移相器中，光学准热电模的主要电分量与射频模电场有很强的重叠，从而产生很高的调制效率32
实验装置
每一个高功率半导体激光器向一个智商调制器供电
调制器的电驱动信号由任意波形发生器提供
然后，光信号被放大，通过75公里长的标准SMF发送出去，并被相干接收器探测到
实时示波器捕捉信号，用于随后的离线处理
以28千兆比特和56千兆比特的符号速率用16QAM发信号的星座图和相关的测量误码率
由于发射功率较低，1频道的性能受到影响，因此只能使用QPSK传输
所有误码率值都低于硬判决前向纠错的门限，编码开销为7%
模块线路总速率为784千兆比特/秒
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-0272-5 通过这种方式，马蒂亚斯·布莱歇、穆罕默德·罗德林·比拉和他的同事们进行了光子引线键合的三维纳米制造，以克服混合光子集成方法的现有限制
该团队使用两个关键协议来实现两个不同的混合多芯片发射器引擎，从而证明了实验设置的可行性
虽然在这项工作中，该团队专注于高速光通信的发射机模块，但该技术可能会释放出受益于混合光子集成优势的广泛新应用
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