使用激光器集成激光器

正如电子集成电路彻底改变了计算一样，光子集成电路（PIC）也将改变高速光通信、光信号处理、光传感和量子信息处理等应用。半导体行业的晶圆级处理技术使PIC具有无与伦比的可扩展性和自动化大批量生产，这一愿景正在推动行业和公共机构的投资。

事实上，基于先进晶片级工艺的高密度光子集成，已经在硅光子学平台上实现了多种硅基PIC。然而，单个（硅）芯片上的单片集成仍然具有挑战性，大多数商业产品仍然需要依赖光子芯片的分立组件。简单来说，硅不能发射激光。

将硅与激光器结合使用
硅芯片可以被加工以适应各种光学功能，但高性能激光源的成本效益和技术可行性集成仍然困难。通常必须使用另一类半导体材料，通常是III-V族半导体，如磷化铟（InP）或砷化镓（GaAs），这在可制造性方面提出了相当大的挑战。

图1：双光子聚合示意图。飞秒激光脉冲在焦点处聚合少量

光刻胶，振镜在空间上扫描焦点，快速调制器调整功率

图2：飞秒光纤激光器结构紧凑，光纤耦合模块化设计易于集成

一种称为异质集成的选择是基于将III-V芯片结合到预处理的硅片上。虽然非常适合大规模大规模制造，但这种方法的技术复杂性相当大。例如，它要求对超清洁和极其光滑的表面进行严格的管理。在许多情况下，这种技术的生产成本与PIC的典型短创新周期相冲突。

另一种选择是混合集成，涉及到使用由两种或多种不同材料制成的分立芯片构建PIC，以利用它们的互补优势。

激光芯片的混合集成

混合集成依赖于将容易处理的III-V组件（如激光器或增益芯片）光学连接到硅光电子电路。该方法保持了III-V激光源的优越性能特性，但带来了新的制造挑战：高效光耦合。

从根本上说，耦合光子芯片比耦合电子芯片更难。在电子学中，简单的导电连接足以将电子从一块芯片引导到另一块芯片。相反，低损耗光子连接需要仔细匹配模场大小和高度精确的对准，以将离开一块芯片的输出面的光直接耦合到另一块芯片的输入面。

这对于携带模场直径为1µm或更小的高折射率对比度波导的芯片来说，尤其具有挑战性。组装这样的系统通常需要主动对准技术，以不断地监测和优化器件的光耦合效率。光子引线光子线键合是电子产品中对金属线键合的光学模拟，大大简化了光学系统的组装。基于自由形状光波导的3D纳米打印，光子线键合是使用双光子聚合（2PP）的增材制造的一种变体。

双光子聚合

在过去十年，双光子聚合一直朝着与工业相关的应用方向发展，并被认为是光子学的一种使能技术。如图1所示，2PP依靠（激光）在小体素或体积像素内引发光刻胶的聚合。光化学仅在同时吸收两个光子时开始，这种事件的概率在光强度上是非线性的（与线性吸收不同）。实际上，对于聚焦到抗蚀剂中的特定波长的光束，显著的双光子吸收仅发生在焦点处，从而确保空间限制。否则，该材料在该波长下表现为准透明。

通过在空间上扫描焦点，可以生成具有无限复杂度的三维结构，100nm的空间分辨率远低于所用波长的衍射极限。

可靠的飞秒光纤激光器

因为双光子吸收比线性吸收弱几个数量级，所以紧密聚焦的激光束是驱动该过程的光子源。特别是，飞秒激光器传输的脉冲持续时间约为100fs，已成为2PP的主力军。最先进的基于光纤的飞秒激光器可以提供超过光聚合阈值的脉冲峰值功率。事实上，2PP中最常见的要求在脉冲能量、脉冲持续时间和波长覆盖范围方面，是先进飞秒光纤激光器的标准，这些激光器通常提供脉冲长度远低于100fs的纳米焦耳脉冲。

与笨重的固态激光器平台不同，飞秒光纤激光器体积小（通常是便携式设备的大小），可以在没有外部水冷的情况下进行热管理，并且可以通过光纤耦合模块化设计轻松集成（图2）。然而，它们的可靠性和免维护运行通常是工业环境中以24/7运行应用的主要标准。这些应用要求对恶劣环境条件不敏感，同时提供高光束质量、优异的脉冲间和长期功率稳定性以及光谱再现性（图3）。

图4：光子引线键合的步骤顺序：分立的光子芯片固定在公共载
体上（顶部）。互连区域嵌入到光敏抗蚀剂中（中间，顶部）。
光子引线键合波导的形状是即时计算的且PWB 通过直接激光写
入实现（中间，底部）。未曝光的抗蚀剂材料被去除（底部）。

这些要求推动了特别稳健的飞秒脉冲产生架构设计，如图3设计（以激光腔的特征形状命名）。该方法使用偏振保持光纤，有效地将激光腔从振动和温度变化等扰动中解耦，同时消除其他寿命限制的组件。这些新颖的激光发展显著推进了非线性相互作用的实际实施，例如 2PP，它是光子引线键合的核心。

光子引线键合

图4说明了创建光子线键合（PWB）的事件序列。分立的光子芯片固定在一个公共载体上，这可以通过使用中等精度的标准取放设备实现。然后将互连区域嵌入光敏抗蚀剂中，先进的3D机器视觉以低于100nm的精度检测波导面和耦合结构的位置。PWB波导的形状是动态计算的，PWB则是通过使用2PP的直接激光写入实现。

最后，在显影步骤中去除未曝光的抗蚀剂材料后将PWB嵌入低折射率包层材料中，该包层材料还用作保护免受环境影响和潜在污染的封装。对于芯片到芯片的连接，PWB波导的横向尺寸通常在1μm-2μm范围内，节距小于20μm，在光子器件中的每个芯片边缘可能有数百个键合（图5a）。

图5：连接光子元件的PWB（上图，绿色）的电子显微镜图像。

PWB 可以补偿光子组件的错位，并使用3D 打印的锥形结构进行
模式匹配以提供高耦合效率。PWB 将边缘发射激光器与光子芯
片连接起来（上图左）。PWB 将光子芯片与单模光纤连接起来（上图右）。

发现PWB在可靠性试验方面表现出显著稳定性，包括热循环、湿热、机械冲击和振动。与宏观或介观耦合组件相比，纳米尺度结构对于冲击和振动具有显著改善的弹性。这一优势强调了PWB在非密封操作中具有严格再现性和可靠性要求用例中的实用性。

通过采用锥形自由形波导（图5），光子引线键合可以处理待连接器件的极为不同的模场，同时在宽波长范围内提供低插入损耗。例如，已经证明了基于InP的水平腔表面发射激光器与硅光子芯片之间的高效耦合，耦合损耗小于1dB。在这些组件中，激光源被放置在芯片的旁边，从而能够有效地热耦合到下面的散热器而不会占用芯片空间。通过补偿20µm或更大的错位，PWB将光子组件的对准要求降至最低。

实验证实光子线键合工艺不会损害激光性能。光子引线键合技术使得能够创建完整的光通信引擎，将InP激光器阵列连接到硅光子调制器，并将调制器连接到单模光纤。由此产生的四通道相干发射器的运行已在大于730Gbit/s的净数据速率下得到了验证，这是具有共封装激光器的相干硅光子发射器的基准。

除了多芯片组件的光子引线键合之外，微透镜和反射镜的3D纳米打印也适用于芯片和晶片级制造。这种方法通过具有广泛不同模式轮廓的光学元件的精确模式匹配来限制耦合损耗。

此外，通过扩展光束可以放宽对准公差，从而简化光学系统组装。微镜提供了额外的设计自由度，并允许在紧凑组件中组合垂直和水平发射组件。

加速创新

分立芯片封装和组装PIC是主要的技术和商业挑战。光子线键合保持了混合集成方法的性能和多功能优势，同时为高度可扩展的自动化大规模生产提供了一条途径。用于光子线键合原位打印的工业解决方案正在出现，为定制工艺提供硬件设备和软件定义的功能（图6）。

图6：光子引线键合打印的工业解决方案旨在缩短光子集成电路
的创新周期并服务于工业生产线。

正如电子集成电路的发展得益于导线键合，PIC的创新现在有望加速。光子引线键合和微透镜平台不仅缩短了原型设计的创新周期，而且有望服务于工业生产线。而坚固可靠的飞秒光纤激光器在实现这一目标的过程中将起到重要作用。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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