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光子集成电路上直接3D打印耦合器,实现低损耗和宽带光纤的耦合

时间:2020-06-14 20:27 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      光子集成电路 (Photonic Integrated Circuit,PIC) 与电子集成电路类似,但不同的是电子集成电路集成的是晶体管、电容器、电阻器等电子器件,而光子集成电路集成的是各种不同的光学器件或光电器件,比如激光器、电光调制器、光电探测器、光衰减器、光复用/解复用器以及光放大器等。

      特别是由于光子组件的小型化趋势,光子集成电路是减少复杂光学系统尺寸和成本的关键技术。集成光子学的应用范围很广,包括数据与电信,激光雷达系统驱动的自动驾驶,移动感应医疗设备等。光子集成电路还依靠关键接口进行连接,例如将芯片连接到光纤,从而提高集成度和功能性。但接口的制造具有挑战性,并且在对准、效率和带宽方面存在困难。为了解决这些问题,明斯特大学物理学院,CeNTech纳米技术中心,马克斯·伯恩研究所和柏林洪堡大学的多学科团队开发了宽带光纤耦合概念,该概念是通过由Nanoscribe 微纳米3D打印技术制造的耦合器实现的。

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附着在纳米光子电路上的自由形式3D耦合器。图片:Nanoscribe / 明斯特大学

block 光子集成电路上进行直接打印

l 3D打印耦合器将芯片连接到光纤

       这些3D耦合器基于全内反射进行操作,并且是直接在光子集成电路上进行3D打印的。这种新颖的方法旨在在可见光波长范围内实现低损耗和宽带光纤的耦合。该设计结合了模式转换器,全反射平面和一个球体,球体可以充当透镜,作用是将光束聚焦到光纤端面上。这项研究的结果证明了通过3D微加工实现的可扩展耦合概念。

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具有在全内反射上进行3D打印的自由形式耦合器的光谱设备,用于宽带光纤耦合。
图片:Nanoscribe / 明斯特大学

l 3D微加工实现光子封装

在常规方法中,在一个微芯片上组装各种光子和光学组件,需要几个步骤。而使用3D微加工,可以直接在光子集成电路上打印高精度甚至是自由形式的微零件。打印过程不需要任何进一步的组装、对准、拾取和放置或固定步骤。因此,3D打印可以节省光子封装过程中的设备成本和时间。

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通过Nanoscribe的Photonic Professional GT系统3D打印并连接到氮化硅波导的自由形式3D光纤耦合器扫描电镜图。
图片:Nanoscribe / 明斯特大学

block Review

      近年来,随着光学、光化学、光电子、纳米光子和仿生等领域中各种微纳器件的广泛开发,与之相应的3D微纳加工技术逐渐成为加工技术中的重要一环。为了最大限度地使材料功能化并提升器件效率,3D微纳加工对加工技术的精度、维度、尺度和速度等均有较高的要求,这些要求使传统的微纳加工手段面临巨大挑战。为了满足高精度、高效率的3D微纳加工需求,3D飞秒激光纳米打印技术应运而生。

      为落实《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》和《中国制造2025》等提出的任务,国家重点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”重点专项。在我国科技部发布的《“增材制造与激光制造”重点专项 2018年度项目申报指南建议》中,包含了微纳增材制造工艺与飞秒激光精密制造应用基础研究。

根据指南建议“1.5微纳结构增材制造工艺与装备(重大共性关键技术类)”:

       研究内容:研究复杂三维微纳结构增材制造新原理和新工艺,研发与微纳结构增材制造工艺匹配的成形材料体系,实现功能化的微纳结构与宏观结构同步制造,开发微纳增材制造装备样机;以微机电系统、传感器、微纳光学,精密医疗器件等为应用对象,开展器件制造应用实验,形成具有重大应用前景的新型功能器件原型,实现具有微纳特征的三维结构与功能一体化制造。

考核指标:层厚精度优于2μm,表面粗糙度Ra优于300nm;制造范围不小于100×100×50mm;实验应用器件不少于5类;形成材料、工艺、装备等规范或标准。

根据指南建议“2.1飞秒激光精密制造应用基础研究(基础前沿类)”:

      研究内容:面向信息、新能源、交通、医疗等领域中的国家重大需求和国民经济主战场中核心结构关键制造挑战,搭建飞秒激光与材料相互作用的亚飞秒时间分辨率检测系统,揭示加工中的调控规律;调控加工中的物理化学过程,发展飞秒激光共振吸收等微纳加工新方法;解决高深径比微孔、高保真集成量子门、新型高温振动传感器等制造技术瓶颈,开发飞秒激光制造装备,解决相关制造挑战,实现重大应用。

考核指标:超快检测系统时间分辨率<0.2fs;研制飞秒激光制造装备1套;解决不少于2项国家重大工程中关键制造难题并获重要应用:实现≥300:1深径比微孔(以直径小于2μm考核)、3-5比特集成量子逻辑门的制备等。

参考资料:

1. Nanoscribe. “3D-Printed Fiber-to-Chip Couplers for Integrated Photonics” ;

2. 中华人民共和国科学技术部.《“增材制造与激光制造”重点专项 2018年度项目申报指南建议》;

3. 知乎.《3D飞秒激光纳米打印,“3高”特点实现三维高精度加工》.

(责任编辑:中国3D打印网)

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