Tredimensionell (3-D) nanoprintning av friformade optiska vågledare, även kända som fotonisk trådbindning, kan effektivt koppla mellan fotoniska chips för att förenkla den optiska systemmonteringen kraftigt. Formen och banan för fotoniska trådbindningar erbjuder en viktig fördel som ett alternativ till konventionella optiska monteringstekniker som är beroende av tekniskt komplex och dyr högprecision. I en ny studie nu publicerad på Natur:Ljus, Vetenskap och applikationer , Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah och ett forskargrupp inom fotonik, kvantelektronik och mikrostruktur teknik i Tyskland, visade optiska kommunikationsmotorer. Enheten förlitade sig på fotonisk trådbindning för att ansluta matriser av fotoniska kiselmodulatorer till lasrar och enkelmodiga fibrer. De konstruerade de fotoniska trådbindningarna på chipsen i labbet med hjälp av avancerad 3D-litografi för att effektivt ansluta en mängd olika fotoniska integrationsplattformar. Forskarna förenklade monteringen av avancerade fotoniska flerstegsmoduler för att omvandla en mängd olika applikationer, allt från höghastighetskommunikation till ultrasnabb signalbehandling, optisk avkänning, och kvantinformationsbehandling.

Fotonisk integration är en viktig metod för att omvandla en mängd olika kvanttekniker. De flesta kommersiella produkterna inom fältet är beroende av den diskreta montering av fotoniska chips som kräver kopplingselement såsom adapter på chip och skrymmande mikrolinser, eller omdirigera speglar. Att montera sådana system kräver tekniskt komplex aktiv anpassning, att kontinuerligt övervaka kopplingseffektiviteten under enhetsutveckling. Sådana tekniker klassificeras som metoder för hög kostnad och låg genomströmning, och som ett resultat återställer de alla fördelar med skivskalas massproduktion av fotoniska integrerade kretsar (PIC). I den här studien, Blaicher et al. kombinerade prestanda och flexibilitet för konventionella system med kompakthet och skalbarhet för monolitisk integration med hjälp av avancerade additiva nanofabriceringstekniker. För att konstruera friformspolymervågledare på fotoniska enheter, laget förlitade sig på direkt-skriv-två-foton-litografi. Metoden är också känd som fotonisk trådbindning för att möjliggöra mycket effektiv optisk koppling i en helautomatisk process.

Under experimenten Blaicher et al. konstruerade 100 tätt åtskilda fotoniska trådbindningar (PWB). De experimentella resultaten utgjorde grunden för den förenklade montering av avancerade fotoniska flerkretssystem. Experimentmodulen innehöll flera fotoniska matriser baserade på olika materialsystem inklusive indiumfosfid (InP) eller kisel-på-isolator (SOI). De experimentella stegen för montering krävde inte högprecisionsinriktning och forskarna uppnådde chip-till-chip och fiber-till-chip-anslutningar med hjälp av 3-D freefon fotoniska trådbindningar. Innan du tillverkar PWB, Blaicher et al. detekterade markörer för justering av chip med hjälp av 3D-avbildning och datorsynstekniker. Därefter, de använde två-foton litografi för att tillverka PWB:erna, tillåter upplösning i submikronskalan. Teamet placerade optiska klipp sida vid sida i installationen för att förhindra termiska flaskhalsar för effektiv termisk anslutning. Hybridmultichipsmodulen (MCM) förlitade sig på effektiva anslutningar av kiselfoton (SiP) -chipet till InP -ljuskällan och till utmatningsöverföringsfibern. Teamet insåg ljuskällorna som horisontell hålighet som avger lasrar (HCSEL) och när de kombinerade PWB:erna med mikrolinser, de skulle kunna underlätta optiska out-of-plan-anslutningar till chipytan.

I det första experimentet, med hjälp av testchips tillverkade med djupt UV-litografi, teamet visade att PWB tillhandahåller optiska anslutningar med låg förlust. Varje testchip innehöll 100 teststrukturer för att separera PWB-förlusten från fiber-chip-kopplingsförlust. Tillverkningen av PWB i laboratoriet var helt automatiserad, tar cirka 30 sekunder per anslutning och processen kan accelereras ytterligare. Teamet fick jämförbara resultat genom att replikera experimenten på andra testchips för att tydligt visa processens utmärkta reproducerbarhet. Forskarna utsatte sedan provet för flera temperaturcykler som varierar från -40 ° C till 85 ° C för att bevisa tillförlitligheten hos strukturerna under tekniskt relevanta miljöförhållanden. Proverna genomgick inte prestandaförsämring eller deformation under experimenten. För att förstå PWB-strukturen med hög effektförmåga, de utsatte proverna för kontinuerlig laserbestrålning vid 1550 nm, med ökande optiska effektnivåer. Experimenten visade möjligheten att använda PWB för hög prestanda i industriellt relevanta miljöer och under realistiska effektnivåer.

För att sedan visa den tekniska genomförbarheten av PWB -tillvägagångssättet, Blaicher et al. realiserade en funktionell åtta-kanalig fotonisk flerkretssändare (Tx) -motor som kombinerade InP-baserade laseruppsättningar och SiP (kisel fotoniska chip) modulatorer för att modulera intensiteten. Den kompletta sammansättningen innehöll två matriser med fyra horisontella kavitetsytor som avger lasrar, ansluten via PWB:er till en rad Mach Zehnder-moduler av resande våg-utarmning. Demonstrationen var ett principbevis, lämnar utrymme för optimering.

Under den andra serien av experiment, laget bildade en fyrkanals flerstegs sändarmodul för sammanhängande kommunikation. I denna modul, de kombinerade hybrid multi-chip integration som innehåller PWB och hybrid on-chip integration av elektrooptiska modulatorer, att kombinera SiP-nanotrådsvågledarna med mycket effektiva elektrooptiska material. Installationen resulterade i mycket effektiva enheter med låg strömförbrukning.

På det här sättet, 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 Science X Network