3D打印微透镜克服PIC缩放难题

光子集成电路（PIC）由于能够实现新的应用，正处于行业实现重大突破的边缘。这一成功在很大程度上依赖于晶圆级小型化光子器件的制造，将高功能性和稳健性与前所未有的性能和可扩展性相结合。然而，尽管具有成本效益的PIC大规模生产已通过行业认可，但可扩展的光子封装和系统组装仍然是加速商业应用的一个重大挑战和障碍。

一种基于3D打印的附面微透镜的光学组件。参见插图（i）、（ii）和（iii），它们扩展并匹配不同组件的模式场，并使低损耗耦合具有宽松的对准公差

具体而言，封装级光学芯片到芯片和光纤到芯片的连接通常依赖于对接耦合，其中器件面彼此靠近或直接物理接触。这种方法通常需要亚微米精度的高精度主动对准，从而使装配过程复杂化。此外，匹配模式场可能具有挑战性，特别是当连接具有显著不同折射率对比度的波导时。

现在，由德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的Yilin Xu博士和Christian Koos教授领导的一个科学家团队已经证明，3D打印端面附着微透镜（FaML）可以克服基于PIC的解决方案的可扩展性挑战。他们的成就发表在《光：应用制造》上。

多光子光刻

FaML可以使用多光子光刻以高精度打印到光学元件的小平面上，从而提供了通过自由设计的折射或反射表面来成形发射光束的可能性。光束可以被准直到相对较大的直径，而与器件特定的模式场无关。这种方法放宽了轴向和横向对准公差。

KIT小组表示，他们的发现意味着昂贵的主动对准已经过时，可以用基于机器视觉或简单机械停止的被动组装技术来取代。此外，FaML概念允许将离散光学元件，如光学隔离器或偏振分束器，插入PIC面之间的自由空间光束路径。

使用FaML演示光学组件。另请参见插图（i）和（ii）的放大视图，包括一对FA和带有PDA的光学芯片之间的准直自由空间光束路径中的离散偏振分束器（PBS）。PBS由两个直角玻璃棱镜组成，中间有介电偏振敏感反射表面Spol

在之前工作的基础上，研究人员在一系列具有高度技术相关性的精选演示中展示了该方案的可行性和多功能性。在第一组实验中，他们将光纤阵列耦合到边缘耦合硅光子（SiP）芯片阵列，每个接口的插入损耗达到1.4dB，平移横向1dB对准公差为±6μm。

这是对于具有微米级对准公差的边缘发射SiP波导界面所证明的最低损耗。研究人员进一步证明，他们的卓越对准公差允许使用传统注塑件的非接触式可插拔光纤芯片接口。

在第二组实验中，他们使用标准的机器视觉技术进行对准，展示了毫米范围内的自由空间传输。第三组实验最终致力于磷化铟激光器和SMF阵列之间的界面。在这些实验中，研究人员展示了平面器件通过仅包括倾斜光学表面的非平面光束路径的耦合，从而提供了超低的背反射。