Hybrid multi-chip samling af optiske kommunikationsmotorer via 3-D nanolitografi

Tredimensionel (3-D) nanoprint af friformede optiske bølgeledere, også kendt som fotonisk trådbinding, kan effektivt kobles mellem fotoniske chips for i høj grad at forenkle optisk systemsamling. Formen og banen af ​​fotoniske trådbindinger giver en vigtig fordel som et alternativ til konventionelle optiske samlingsteknikker, der er afhængige af teknisk kompleks og kostbar højpræcisionsjustering. I en ny undersøgelse, der nu er offentliggjort på Natur:Lys, Videnskab og applikationer , Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah og et forskerhold i fotonik, kvanteelektronik og mikrostruktur teknologi i Tyskland, demonstrerede optiske kommunikationsmotorer. Enheden var afhængig af fotonisk trådbinding til at forbinde arrays af fotoniske siliciummodulatorer til lasere og single-mode fibre. De konstruerede de fotoniske trådbindinger på chipsene i laboratoriet ved hjælp af avanceret 3-D litografi til effektivt at forbinde en række fotoniske integrationsplatforme. Forskerne forenklede samlingen af ​​avancerede fotoniske flertrinsmoduler for at transformere en række applikationer lige fra højhastighedskommunikation til ultrahurtig signalbehandling, optisk sansning, og kvanteinformationsbehandling.

Fotonisk integration er en vigtig metode til at transformere en række kvanteteknologier. De fleste kommercielle produkter på området er afhængige af den diskrete samling af fotoniske chips, der kræver koblingselementer, såsom on-chip-adaptere og omfangsrige mikrolinser, eller omdirigering af spejle. Samling af sådanne systemer kræver teknisk kompleks aktiv justering, til løbende at overvåge koblingseffektiviteten under udviklingen af ​​enheden. Sådanne teknikker er klassificeret som høje omkostninger og lav gennemløbsmetoder, og som et resultat sætter de alle fordele ved masseproduktion i waferskala af fotoniske integrerede kredsløb (PIC) tilbage. I dette studie, Blaicher et al. kombinerede konventionelle systemers ydeevne og fleksibilitet med kompaktheden og skalerbarheden til monolitisk integration ved hjælp af avancerede additive nanofabrikationsteknikker. At konstruere friformede polymerbølgeledere på fotoniske enheder, holdet stolede på direkte-skriv-to-foton-litografi. Metoden er også kendt som fotonisk wire bonding for at tillade højeffektiv optisk kobling i en fuldautomatisk proces.

Under forsøgene Blaicher et al. konstrueret 100 tætte mellemrum fotoniske trådbindinger (PWB'er). De eksperimentelle resultater dannede grundlag for den forenklede samling af avancerede fotoniske multi-chipsystemer. Det eksperimentelle modul indeholdt flere fotoniske dyser baseret på forskellige materialesystemer, herunder indiumphosphid (InP) eller silicium-på-isolator (SOI). De eksperimentelle trin til montering krævede ikke højpræcisionsjustering, og forskerne opnåede chip-til-chip og fiber-til-chip-forbindelser ved hjælp af 3-D friformede fotoniske trådbindinger. Før fremstilling af PWB'er, Blaicher et al. detekterede on-chip justering markører ved hjælp af 3-D billeddannelse og computer vision teknikker. Derefter, de brugte to-foton litografi til at fremstille PWB'erne, tillader opløsning på sub-mikron skala. Holdet placerede optiske clips side om side i opsætningen for at forhindre termiske flaskehalse for effektiv termisk forbindelse. Hybrid multichip modul (MCM) var afhængig af effektive forbindelser af silicium foton (SiP) chip til InP lyskilden og til output transmission fiber. Holdet realiserede lyskilderne som horisontale hulrumsoverfladeemitterende lasere (HCSEL'er), og da de kombinerede PWB'erne med mikrolinser, de kunne lette optiske forbindelser uden for planet til chipoverfladen.

I det første forsøg, ved hjælp af testchips fremstillet via dyb-UV-litografi, holdet viste, at PWB'er leverede optiske forbindelser med lavt tab. Hver testchip indeholdt 100 teststrukturer for at adskille PWB-tabet fra fiber-chip-koblingstab. Laboratoriets fremstilling af PWB var fuldt automatiseret, tager cirka 30 sekunder pr. forbindelse, og processen kan fremskyndes yderligere. Holdet opnåede sammenlignelige resultater ved at replikere eksperimenterne på andre testchips for klart at demonstrere processens fremragende reproducerbarhed. Forskerne udsatte derefter prøven for flere temperaturcyklusser varierende fra -40 °C til 85 °C for at bevise pålideligheden af ​​strukturerne under teknisk relevante miljøforhold. Prøverne undergik ikke ydeevneforringelse eller deformation under eksperimenterne. For at forstå PWB-strukturernes højeffekthåndteringsevne, de udsatte prøverne for kontinuerlig laserbestråling ved 1550 nm, med stigende optiske effektniveauer. Eksperimenterne viste muligheden for at bruge PWB'er til høj ydeevne i industrielt relevante miljøer og under realistiske effektniveauer.

For derefter at demonstrere den tekniske gennemførlighed af PWB-tilgangen, Blaicher et al. realiseret en funktionel otte-kanals fotonisk multi-chip transmitter (Tx) motor, der kombinerede InP-baserede laser arrays og SiP (silicium photonic chip) modulator arrays for at modulere intensiteten. Den komplette samling indeholdt to arrays af fire vandrette hulrumsoverfladeemitterende lasere, forbundet via PWB'er til en række Mach Zehnder-modulationer af rejsebølgeudtømningstypen. Demonstrationen var et proof-of-princip, giver plads til optimering.

Under den anden række af eksperimenter, holdet dannede et fire-kanals multi-trins sendermodul til sammenhængende kommunikation. I dette modul, de kombinerede hybrid multi-chip integration indeholdende PWB'er med hybrid on-chip integration af elektro-optiske modulatorer, at kombinere SiP nanowire bølgeledere med højeffektive elektro-optiske materialer. Opsætningen resulterede i yderst effektive enheder med lavt strømforbrug.

På denne måde 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