晶圓級大規模生產光子集成電路（Photonic Integrated Circuit, PIC）已經成為光學和光子學領域的支柱技術，并徹底顛覆了許多現有應用的工作模式。盡管基于PIC的解決方案具有很強的應用優勢，但可擴展的光子封裝和系統組裝仍然是一個大挑戰，這嚴重阻礙了PIC的商業應用。例如，芯片到芯片和光纖到芯片的連接通常需要使用主動對準技術，在裝配過程中不斷測量和優化耦合效率。這種技術復雜度和高成本不可避免地導致了PIC在可擴展性方面的固有優勢被大幅減弱。

研究人員新提出并驗證了一種面貼附微透鏡系統（Facet-attached microlenses, FaML），并通過3D打印技術實現了它與高度可擴展光子系統的直接組裝。此外，研究人員還通過一系列接口耦合實驗展示了該方案的可行性和多功能性。這種FaML光學系統組裝方案，可以結合不同光子集成平臺的獨特優勢，將為基于PIC的系統架構開辟一條極具潛力的商用化道路。

面微透鏡設計

FaML可以使用多光子光刻高精度印刷到光學元件的小平面上，從而提供了通過自由設計的折射或反射表面來成形發射光束的可能性。具體地，發射的光束可以被準直到相對較大的直徑，該直徑獨立于器件特定的模式場。這放寬了軸向和橫向對準公差，并且可以被基于機器視覺或簡單機械止動器的被動裝配技術所取代。

此外，與直接對接耦合相比，FaML概念開啟了將離散光學元件（如光學隔離器）插入PIC面之間的自由空間光束路徑的可能性。 圖1展示了使用面貼附微透鏡FaML組裝集成光學系統概念。一個光發射器的典型示例包括一個帶有傾斜面的InP激光器陣列，一個光隔離器塊以及一個位于硅光子芯片（SiP）上的調制器陣列。SiP芯片的輸出通過機械轉移的插芯連接到一個可插拔的單模光纖（SMF）陣列上，并通過機械對準銷定位。插圖（i）、（ii）和（iii）顯示了不同自由形式的FaML的放大視圖，這些可以被設計成將自由空間光束聚焦到直徑高達60 μm，從而極大地放寬了平移對準容限。

圖1：基于3D打印的不同類型FaML光學組件示意圖

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

FaML與SiP芯片集成

研究人員展示了通過FaML與邊緣發射SiP芯片的低損耗耦合，以及基于簡單機械對準結構的可插拔光學連接，如圖2所示。研究人員將FaML陣列打印到SiP芯片的邊緣，并測試了其與透鏡單模光纖陣列（Fiber array, FA）的耦合效率以及相關的對準公差。實驗表明，每個接口的插入損耗為1.4 dB，平移橫向1 dB對準公差為± 6 μm，這是迄今為止被實驗證明的具有微米級對準公差的邊緣發射SiP波導界面的最低損耗。

圖2：利用FaML微透鏡組實現單模光纖陣列與邊緣發射SiP波導陣列耦合

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

同時，由于該方案出色的對準公差允許范圍，研究人員展示了使用低成本大規模生產的注塑塑料部件（如樂高LEGO積木）實現非接觸式可插拔光纖芯片接口的可能性。如圖3所示，樂高連接由一塊固定的（黃色）磚和一塊可拆卸的（深色透明）積木組成，積木上附有一塊平面鋁蓋板（灰色）。首先將SiP芯片粘在底座上，然后將光纖陣列主動對齊并粘在右側的蓋板上，同時將樂高積木粘在一起。最后，在拆卸并重新建立樂高連接總共50次后，測量插入損耗。每個連接的損耗在1.41 dB和2.46 dB之間，平均損耗為1.9 dB，這比最初發現的有源對準的值高出約0.5 dB。

圖3：通過樂高積木實現非接觸式可插拔光纖芯片接口耦合

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

長距離無源定位光學耦合

同時，研究人員使用標準機器視覺技術進行對準，演示了毫米范圍內的長距離自由空間傳輸和無源定位光學耦合。通過設計產生更大的光束直徑，從而減少光束發散，增大相關聯的耦合接口FaML之間的距離，使得諸如光學隔離器之類的分立微光學部件可以插入光學芯片之間的光束路徑中，如圖3和4所示。

圖4：使用FaML進行光纖陣列輸出光束準直和長距離傳輸耦合

圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

在實驗中，研究人員使用標準SMF陣列和邊緣耦合InP光電二極管陣列，通過將FaML 3D打印到光纖陣列FA和光電二極管陣列（Photodiode arrays, PDA）芯片。利用這些組件，研究人員設計了一個無源SMF陣列到芯片的組件，其自由空間耦合距離高達3.3 mm。FA上的透鏡將10 μm的SMF模場直徑轉換為自由空間高斯光束，其束腰直徑為60 μm，距離FaML頂點1.65 mm，即在自由空間光束路徑的中心。PDA芯片設計用于與SMF對接耦合，包含一個片上錐形光斑尺寸轉換器，該轉換器在芯片端面產生10 μm的模場直徑。

研人員將透鏡打印到與打印到FA的透鏡具有相同光學設計的芯片上，將入射的束腰直徑為60 μm的高斯光束轉換為PDA芯片端面處直徑為10 μm的Gaussian光斑。 進一步地，使用相同類型的FA和PDA芯片，研究人員還證明了離散光學元件可以插入準直的自由空間光束路徑，如圖4所示。在原理驗證組件中，研究人員將光學偏振分束器（PBS）插入單模光纖陣列和邊緣耦合磷化銦光電探測器陣列之間的光束路徑中。PBS由兩個直角玻璃棱鏡和介于兩者之間的介電偏振敏感反射表面組成，光束路徑在圖中顯示為彩色虛線。實驗表明，基于FaML的光學微系統所能達到的精度水平與標準離散微光學組件所提供的精度水平不相上下，甚至超過了這些精度水平。

圖5：FaML與偏振分束光學組件耦合實驗 圖源：Light: Advanced Manufacturing4,3(2023)

傾斜端面器件耦合

同時，研究人員展示了印刷到成角度的芯片刻面上的FaML組件，如圖6所示，它們可以有效抑制半導體激光器和放大器的非必要背反射。在實驗中，研究人員在有源芯片和光纖側使用專用FaML將基于離散模分布式反饋（Distributed-feedback, DFB）激光器陣列耦合到單模光纖陣列。FaML被專門設計為在兩個面之間產生非平面的光束路徑，該光束路徑僅包含傾斜或強烈彎曲的光學表面S1、S2、S3和S4，從而大大減少進入DFB芯片的背反射。這種非平面光束路徑的設計使得FaML的俯視投影垂直于芯片和FA邊緣。通過基于俯視相機視覺并結合平行于芯片邊緣的線性平移，可以大大簡化組裝過程中器件的對準難度。

圖6：利用FaML將DFB激光器陣列耦合到單模光纖陣列

圖源：Light: Advanced Manufacturing4, 3(2023)

總結

綜上所述，本研究展示了3D打印FaML微透鏡組件在集成光子系統組裝中的巨大潛力。通過多光子光刻以高精度打印到光學元件的小面上，提供了通過自由設計的折射表面來成形發射光束的可能性。光束可以被準直到相對較大的直徑，這些直徑獨立于設備特定的模式場，從而可以放松對軸向和橫向對準公差要求，使得將光學隔離器等分立光學元件插入PIC面間成為可能。基于FaML概念的先進光子系統組件可以克服當前的大多數限制，將為光子集成電路開辟了一條極具潛力的應用路徑。

審核編輯：劉清