3Dプリントされたフォトニックチップ結合型マイクロレンズ（FaML）は、フォトニックパッケージングの課題を克服できる

出典: 揚子江デルタG60レーザーアライアンス

ドイツのカールスルーエ工科大学と Vanguard Automation GmbH の研究者チームは、3D プリントされた表面接続型マイクロレンズ (FaML) が PIC ベースのソリューションのスケーラビリティの課題を克服できることを実証しました。関連する研究結果は、「高度なフォトニックシステムアセンブリのための 3D プリントされたファセット接続マイクロレンズ」というタイトルで「Light: Advanced Manufacturing」に掲載されました。

ウエハースケールで大量生産されるフォトニック集積回路 (PIC) は、光学およびフォトニクスの分野における技術的な主力となり、多くの新しいアプリケーションを可能にし、広範囲にわたる既存のアプリケーションに革命をもたらしています。しかし、スケーラブルなフォトニックパッケージングとシステムアセンブリは依然として大きな課題であり、PIC ソリューションの商業的採用を妨げています。具体的には、チップ間接続およびファイバー間接続では、多くの場合、アクティブアライメント技術を利用して、組み立てプロセス中に結合効率を継続的に測定し、最適化します。これにより、必然的に技術的に複雑な組み立てプロセスと高コストが発生し、PIC 本来のスケーラビリティの利点が弱まります。
この論文では、研究者らは、業界標準のマシンビジョンと単純な機械的ストップに基づくパッシブアセンブリ技術のみに依存して、3Dプリントされたファセットマイクロレンズ（FaML）が、高度にスケーラブルなフォトニックシステムアセンブリのこの問題を克服できることを実証しています。 FaML は、多光子リソグラフィーを使用して光学部品のファセットに高精度で印刷することができ、自由に設計された屈折面または反射面を通して放射される光線を形作る可能性を提供します。具体的には、放射されたビームは、デバイス固有のモードフィールドに依存しない比較的大きな直径にコリメートできるため、軸方向および横方向の位置合わせ許容範囲が緩和されます。さらに、FaML コンセプトにより、PIC ファセット間の自由空間ビームパスに光アイソレータなどの個別の光学素子を挿入できるようになります。

研究者らは、プラグ可能なファイバーチップインターフェース、偏光ビームスプリッターなどの個別のマイクロ光学素子とPICの組み合わせ、傾斜した光学面のみで構成される非平面ビームパスに基づく超低反射カップリングなど、技術的に関連性の高い一連の実験でこの方式の実現可能性と汎用性を実証しました。研究結果に基づき、研究者らは、FaML コンセプトが、さまざまなフォトニック統合プラットフォームの独自の利点を組み合わせた、新しい PIC ベースのシステムアーキテクチャを実現するための有望な道を開くと考えています。

ファセット接続マイクロレンズ (FaML) を使用して統合光学システムを組み立てる概念を図 1 に示します。この図は、角度付きファセットを備えた InP レーザーアレイ、光絶縁ブロック、およびシリコンフォトニクス (SiP) チップ上の変調器アレイで構成される光送信機の例を示しています。

図 1: 3D プリントされた表面接続マイクロレンズ (FaML) の光学アセンブリの概略図。

FaML と SiP チップの統合<br /> 研究者らは、エッジ発光 SiP チップへの低損失結合と、単純な機械的アライメント構造に基づくプラグ可能な光接続を実証しました。この目的のために、研究者らは FaML アレイを SiP チップの端に印刷し、レンズ付きシングルモードファイバー (SMF) アレイとの結合効率と関連するアライメント許容範囲を研究しました。この研究では、ファイバーアレイ (FA) とエッジ結合シリコンフォトニクス (SiP) チップアレイを結合すると、インターフェイスあたり 1.4 dB の挿入損失、1 dB の並進横方向アライメント許容差 ±6 μm、1 dB の回転アライメント許容差 1.1° が達成されることが示されました。これは、マイクロメートルレベルのアライメント許容誤差を備えたエッジ発光 SiP 導波路インターフェースで、これまでに実験的に実証された最も低い損失です。

図 2: シングルモードファイバーアレイ (FA) とエッジ発光 SiP 導波路アレイ間の結合は、3D プリントされた表面接続マイクロレンズ (FaML、中央の顕微鏡画像) を使用して実現されます。左の画像（i）と右の画像（ii）は、それぞれSiP側とFA側のFaMLの拡大走査型電子顕微鏡（SEM）画像です。
研究者らは、FaML の光結合インターフェースの位置合わせ許容範囲に基づいて、入手しやすく、低コストで大量生産可能な高精度射出成形プラスチック部品 (レゴブロック) をベースにした非接触型プラグ可能なファイバーチップインターフェースを構築しました。このインターフェースでは、グレーティングカプラと個別の溶融シリカマイクロレンズの組み合わせを使用して、表面結合用のファイバーチップ接続が構築されています。図 3a は、研究者らのコンポーネントの概略図を示しています。まず、SiP チップをベースに接着し、次にレゴブロックを接着しながら、ファイバーアレイを右側のカバープレートに積極的に位置合わせして接着します。最後に、レゴ接続を合計 50 回分解して再構築した後、挿入損失を測定しました。各接続の損失は 1.41 dB ～ 2.46 dB で、平均損失は 1.9 dB でした。これは、アクティブアライメントで最初に検出された値よりも約 0.5 dB 高い値です。

図3: レゴブロックを介した非接触プラグ式光ファイバーチップインターフェースの結合
長距離パッシブ位置決め光学結合および個別のマイクロ光学部品との組み合わせ<br /> 標準 SMF アレイとエッジ結合 InP フォトダイオードアレイ (PDA、Finisar/II-VI Inc.) を使用しました (図 4a、および PDA チップの挿入図 (ii))。研究者らはこれらのコンポーネントを使用して、自由空間結合距離が最大 3.3 mm のパッシブ SMF アレイからチップへのアセンブリを実証しました。 FA 上のレンズは、10 μm の SMF モードフィールド径を、FaML 頂点から 1.65 mm の距離、つまり自由空間ビームパスの中心にある 60 μm のビームウエスト径を持つ自由空間ガウスビームに変換します。 PDA チップは SMF との突合せ結合用に設計されており、チップファセットで 10μm の MFD を生成するオンチップテーパスポットサイズコンバーターが含まれています。研究者らは、FA に印刷されたレンズと同じ光学設計でチップ上にレンズを印刷し、ウェスト直径 60 μm の入射ガウスビームを PDA チップ表面上の直径 10 μm のガウススポットに変換しました。

図 4: FaML を使用したリモート結合とファイバーアレイ出力ビームのコリメーション。概念実証実験では、研究者らはシングルモードファイバーアレイ（FA）をInPフォトダイオードアレイ（PDA）に3.3mmの自由空間距離で結合し、ビームパスにビームスプリッターや光アイソレーターなどの光学素子を挿入できるようにしました。
研究者らは、同じタイプのレンズ FA チップとレンズ PDA チップを使用して、個別の光学素子を平行化された自由空間ビーム経路に挿入できることも実証しました。研究者らの原理実証アセンブリでは、図 5 に示すように、シングルモードファイバーアレイとエッジ結合型リン化インジウム光検出器アレイの間のビームパスに偏光ビームスプリッター (PBS) を挿入しました。PBS は、2 つの直角ガラスプリズムと、その間にある誘電偏光感度反射面 Spol で構成されています。図 5 と挿入図 (iii) のビームパスは、色付きの点線で表されています。実験により、FaML ベースの光学マイクロシステムで達成できる精度レベルは、標準的な個別のマイクロ光学コンポーネントによって提供される精度レベルと同等か、それを超えることが示されています。

図5: FaMLを使用した光学部品のデモンストレーション、FaMLと偏光ビーム分割光学部品の結合実験
傾斜面上のデバイスアレイ結合<br /> 研究者らは、半導体レーザーや増幅器で一般的に使用されている FaML コンポーネントを、斜めのチップファセットに印刷し、不要な後方反射を効果的に抑制しました。実験では、研究者らはアクティブチップとファイバー側に専用の FaML を使用して、離散モード分散フィードバック (DFB) レーザーアレイをシングルモードファイバーアレイ (FA) に結合しました。これにより、チップのエッジに平行な直線移動の難しさと組み合わせたトップビューカメラビジョンに基づく組み立て中のデバイスの位置合わせが大幅に簡素化されます。

図 6: レーザーおよびファイバー面上の専用 FaML を介してシングルモードファイバーアレイ (FA) に結合された角度付き DFB レーザーアレイで構成されるアセンブリのデモンストレーション。
研究者らは、高度なフォトニックシステムの組み立てにおける 3D プリントされた表面接続マイクロレンズ (FaML) の大きな可能性を実証しました。マルチフォトンリソグラフィーを使用すると、FaML を光学部品の表面に高精度で印刷することができ、屈折面を自由に設計することで放射される光線を形作る可能性が提供されます。ビームは比較的大きな直径にコリメートできるため、軸方向および横方向の位置合わせの許容範囲が緩和されます。これにより、高価なアクティブアライメント技術が不要になり、PIC ファセット間の自由空間ビームパスに光アイソレータなどの個別の光学素子を挿入できる可能性が開かれます。
FaML コンセプトの拡張性と柔軟性に関するこれらの研究に基づいて、研究者は、この方法が、現在の制限のほとんどを克服し、基礎となる PIC のウェハー規模のバッチ製造を補完し、今日の集積光学における最も困難な課題の 1 つに対処できる、高度なフォトニックシステムコンポーネントへの有望な道を開くと考えています。

関連論文リンク:

Yilin Xu 他「先進的なフォトニックシステムアセンブリのための 3D プリントされたファセット接続マイクロレンズ」、Light: Advanced Manufacturing (2023)。DOI: 10.37188/lam.2023.003

https://www.vanguard-automation.com/

https://phys.org/news/2023-07-3d ... -faml-photonic.html

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