3Dプリントされた表面マイクロレンズがフォトニックパッケージングの課題を克服

3Dプリントされた表面マイクロレンズがフォトニックパッケージングの課題を克服
出典: 光は世界を旅する

フォトニック集積回路 (PIC) は、新たなアプリケーションを開拓することで大きな変革を起こそうとしています。この成功は、卓越した機能性と堅牢性と前例のないパフォーマンスとスケーラビリティを組み合わせた、高度なウエハー規模の小型光子デバイス製造に大きく依存しています。

しかし、PIC のコスト効率の高い大量生産は専用のファウンドリ サービスを通じて広く利用可能になっているものの、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、商用アプリケーションの加速に対する障壁となっています。

図 1. 3D プリントされた表面接続型マイクロレンズに基づく光学アセンブリの概略図。具体的には、パッケージ レベルの光チップ間接続およびファイバー間接続は、通常、いわゆるバット カップリングに依存しており、デバイスの面が密接に接続されるか、直接物理的に接触します。このアプローチでは通常、サブミクロンの精度を備えた高精度のアクティブアライメントが必要となり、組み立てプロセスが複雑になります。さらに、特に屈折率のコントラストが異なる導波路を接続する場合、モード フィールドを一致させることは困難になる可能性があります。

カールスルーエ工科大学(KIT)の Yilin Xu 博士と Christian Koos 教授が率いる科学者チームは、最近 Light: Advanced Manufacturing 誌に掲載された論文で、3D プリントされたファセット 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。

図 2. 3D プリントされた面取り付け型マイクロレンズを使用したシングルモード 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 (FaML、中央の顕微鏡画像)。左と右の挿入図 (i) と (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) 画像を示しています。
FaML は、多光子リソグラフィーを使用して光学部品のさまざまな側面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じ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、デバイス固有のモード フィールドに関係なく、ビームを比較的大きな直径にコリメートできます。このアプローチにより、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。
彼らの研究結果は、高価なアクティブアライメントは時代遅れであり、マシンビジョンまたは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に置き換えることができることを意味します。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や偏光ビーム スプリッ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、これまでの研究を基に、技術的に関連性の高い一連の選別されたデモンストレーションで、この計画の実現可能性と汎用性を実証した。最初の一連の実験では、ファイバー アレイをエッジ結合シリコン フォトニクス (SiP) チップのアレイに結合し、各インターフェイスで 1.4 dB の挿入損失と ±6 μm の並進 1 dB アライメント許容差を達成しました。

これは、ミクロンレベルのアライメント許容差を備えたエッジ起動 SiP 導波路インターフェースとしては最も低い損失です。研究者らはさらに、この方式は優れた位置合わせ許容度を備えており、従来の射出成形部品を使用して非接触型のプラグ可能な光ファイバーチップインターフェースを実現できることを実証しました。

図 3. 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。
2番目の一連の実験では、研究者らは標準的なマシンビジョン技術を使用して調整されたミリメートル範囲での自由空間伝送を実証しました。 3 番目の一連の実験では、最終的に InP レーザーと SMF アレイ間のインターフェースに焦点が当てられました。これらの実験で、研究者らは、傾斜した光学面のみで構成される非平面ビーム経路を介して平面デバイスを結合し、超低反射を実現できることを実証しました。

FaML アプローチの優れた汎用性の実証に基づいて、研究者たちは、彼らのコンセプトが、現在の課題のほとんどを克服できる高度なフォトニック システムの組み立てへの魅力的な道を開くと考えています。 FaML コンセプトは、基盤となる PIC のウェハレベルのバッチ製造を補完する、スケーラブルで柔軟なフォトニック パッケージング コンセプトへの道を開き、今日の統合光学における最も困難な課題の 1 つに対処します。

関連リンク: https://phys.org/news/2023-07-3d ... -faml-photonic.html

チップ、レーザー

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