用于混合光子集成的自由形式耦合元件的原位3D纳米打印
——||| 前言 |||——
2018年3月，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的C. Koos等人在Nature photonic上发表了文章：In situ 3D nanoprinting of free-form coupling elements for hybrid photonic integration。
——||| 背景介绍 |||——
单模芯片到芯片以及光纤到芯片的连接是集成光子学器件的基本挑战。挑战包括两个方面：一个是片上波导通常具有很小的模场直径，低损耗耦合需要高精度定位；其次，在不同材料平台上实现的器件接口必须应对极其不同的模式轮廓和发射方向，需要仔细调整来实现有效的耦合，这需要增加额外的元件，如微透镜，微反射镜或者基于波导的光点尺寸转换器。为了应对这些挑战，提出了各种方式，可分为两大类：边缘耦合到刻蚀或抛光的波导面；利用光栅结构进行表面耦合。总之，关系到芯片到芯片和光纤耦合芯片的多重挑战和限制是朝着混合光子集成电路的广泛应用的主要障碍。
——||| 方法与结论 |||——
该文中提供一种新的方式，通过将超紧凑光束整形元件原位印刷到光学器件的小平面上来克服这些限制。利用双光子激光光刻来完成印刷。展示了具有任意3D几何形状的波束整形元件，这不仅仅适应极大不同的模式轮廓，而且可以放宽对准公差，从而可以使用简单且成本有效的无源组装工艺。文中工进行三组实验，第一组在光纤或激光端面使用波束成形元件，证明边缘发射半导体激光器和SMF之间耦合损耗减低到0.6dB（耦合效率高达88%）；第二组实验进一步表明，通过表面发射和边缘发射装置的灵活组合，用于同时限制光束形状和传播方向的曲面镜面原位打印为光学组件开辟了巨大的设计自由度；第三组通过在两个器件上使用扩束器来放宽对对准公差的要求。这种方式有可能从根本上改变混合光子系统的性能和经济性。
——||| 图文一览 |||——
图1：光子多芯片组件结合了不同光子集成平台的独特优势。
左侧插图：：在边缘发射激光器的刻面上印刷的自由形状透镜的显微镜图像；
中间插图：在边缘发射激光器的刻面上印刷的自由形状镜子的示意图，以实现光栅耦合。右侧插图：一对扩束器的示意图。
小结：光源在直接带隙InP衬底上实现并与SiP芯片连接；SiP芯片包括Mach-Zehnder调制器和SiGe光电二极管，用于产生和检测光信号。SMF阵列与外界相连接。微透镜和微镜的光束成形元件由于模场匹配（红色），从而实现低损耗耦合和宽松对准公差。
图2：各种光束整形元件的实现，可作为混合光子多芯片系统的通用构建模块。
（a）光束整形元件的示意图。
（b-c）印刷在边缘发射激光器发射端面上的自由形状透镜（b）和全内反射镜（c）。
（d-e）具有高NA的自由形状透镜（d）和用于光束偏转的全内反射镜（e）。
（f-g）设计用于放松组装过程的对准公差的光束扩展器（f）和具有九个折射面的多透镜光学器件（g）。所有比例尺均为20um。
小结：探索并演示了一个基本光束整形元件的通用构建模块，其表面光学质量为均方根粗糙度37nm。
图3：边缘发射DFB激光器和SMF的耦合。
（a）印刷在激光面上的自由形状透镜。选择坐标系使光纤的最佳对准位置对应于位置（x, y, z）=（0, 0, 0），其中测量的最小耦合损耗为1dB。
（b-c）在最佳对准处横向平移的耦合损耗（b）和z方向的移动的耦合损耗（c）。
（d）在SMF端面上印刷的自由形状镜头。位置（x, y, z）=（0, 0, 0）指向的是最佳耦合点，具有0.6dB损耗。
（e-f）移动光纤时，沿（x, y）方向（e）和（y, z）方向的附加损耗。
小结：在这一试验中，展示了边缘发射分布反馈（DFB）激光器与SMF的耦合。所有尺寸均以um表示，等高线图（b, c, e, f）中0dB电平对于a和d中指示的最小耦合损耗。
图4：配备自由曲面镜的光学元件的耦合实验。
（a）系统模型，在SMF的一个面上组合一个自由形状的镜子，用于耦合到第二个SMF。实现低至0.6dB的耦合损耗。
（b）光束整形元件的SEM图。
（c）边缘发射激光器端面上的自由形状反射镜，设计由于耦合到SMF，详见图2c，实验中测量了2.9dB的耦合损耗。
（d）从VCSEL耦合到SMF，在SMF上印刷自由形状的镜子。该方法允许组装高度显著降低至小于200um。
小结：第二组实验专用于自由曲面镜面，其同时适应模式轮廓和光的传播方向，实现边缘耦合器件和表面耦合器件的灵活组合，而不会导致组件的整体结构变大。
图5：在激光器和波导上使用扩束器的耦合实验。
（a）将激光耦合到SMF的设置。
（b）相对于（x, y）横向偏移的耦合效率。最小耦合损耗为0.8dB，测量1dB横向对准公差在x方向为+/-5.2um。
（c）将激光耦合到TriPlex芯片上的单模波导的设置。
（d）相对于（x, y）方向上的横向偏移的耦合效率。最小耦合损耗为2.5dB。测量1dB的对准公差在x方向上为4.3um，略有减小，但仍适合被动对准。
小结：所有尺寸均以um表示。所用的扩束器包括一个直接连接到激光器和光纤的透镜。透镜长度由光纤的光束发散决定，并且由折射透镜表面处的光束直经必须大于光束束腰中的目标。
图6：使用扩束器进行耦合实验以降低对准公差要求。
（a）在空气中使用一对相同的双透镜扩束器进行耦合实验的示意图。
（b）相对于（x, y）方向上的耦合损耗。虚线圈显示模拟的1dB耦合容差。
（c）相对于（y, z）方向上的耦合损耗。
（d）耦合实验证明LIMOS允许在印刷的多透镜组件中显著减少反射损失。
小结：通常使用较小的折射率对比度可以减少单个介质反射面的反射，这也会降低屈光度而需要级联多个界面来补偿。对于整个透镜系统的给定屈光力，可以通过增加透镜表面的数量同时降低每个表面处的折射率对比度来减少总菲涅耳损失。我们将这种组件称为“低折射率对比微光学系统”（LIMOS）。
——||| 点评 |||——
文中证明了印刷到器件端面的3D光学自由形状元件可用于高效和位置容差耦合。他们探索并演示了构建混合光学组件所需的基本光束成形元件的工具箱：自由形状透镜，自由形状反射镜和多透镜光束扩展器，可降低公差，从而可以使用被动对准。该方法可以转移到各种各样的边发射和表面发射器件，并且可以为光学元件的大规模无源对准铺平道路。
Dietrich, P. I. et al. In situ 3D nanoprinting of free-form coupling elements for hybrid photonic integration. Nature Photonics 12, 241-+, doi:10.1038/s41566-018-0133-4 (2018).
翻译作者：秦燕亮
