飞秒激光增减材微加工技术：实现用于多芯光纤到硅光子封装的高通道密度硅片插入器

激光天地导读：

【摘要】在过去的十年中，为在先进的制造系统中建立飞秒激光器以实现新型透明材料的非接触式加工而取得了长足的进步。研究进展表明，对于这种材料的2D和3D灵活的2D和3D结构化，现在可以使用无数的加法和减法技术，从而达到微米级和纳米级精度。在本文中，对这些技术进行了完善和扩展，以证明其具有3D写入高密度光学封装组件的潜力，特别是解决了将光纤有效连接到电信和数据中使用的硅光子（SiP）处理器的主要瓶颈。中心。引入了84通道的熔融石英中介层，用于将多芯光纤（MCF）与SiP芯片进行高密度边缘耦合。飞秒激光辐照后再进行化学蚀刻，可进一步利用其打开对准插座，从而可以快速组装并精确锁定MCF位置，以有效耦合至插入器中的激光写入光波导。3D波导扇出设计在低损耗，模式匹配，高通道密度，紧凑的占位面积和低串扰之间实现了引人注目的平衡。因此，3D加法和减法工艺证明了用于电信互连的微光学组件的大规模集成以及快速光子组装和封装的潜力，并且在集成生物光子芯片或微显示器中可能具有更广泛的应用。

文章简介

如今，超快激光作为一种强有力工具，已广泛应用于科学研究和商业开发，开启了材料与高强场相互作用研究的新领域，使医疗手段的创新或新概念产品的制造成为可能。其中诱导常规透明材料内部吸收的新方法是最有价值的研究领域之一。在强非线性光学效应和显著能量过程展开背景下，Herman教授的团队从热力学非平衡域开始研究材料与高强场相互作用。通过优化工艺，Herman团队发现了该技术在光学材料三维结构的纳米尺度制造方面的优势，可用于发明全新的三维增/减材制造模式。这一领域的研究通常能够引领新工艺和新产品概念的发明，涉及光子学、光通信、光学封装、纤维光学、数据存储、安全标记、光学传感、平视显示器、生物传感、芯片实验室和光纤实验室等众多领域。

本论文在大量增减材激光研究的基础上，采用透明玻璃来解决光子学器件封装领域的重大挑战。在激光工艺层面上，利用飞秒激光相互作用对玻璃晶片内部进行全尺寸三维结构设计，以确定光学电路，并引导激光选择性地沿着轨迹刻蚀。化学刻蚀后，光学玻璃电路沿着定位槽精确排列，使得光纤或其他光学设备的组装和封装变得容易，这一过程中硅光子芯片和多芯光纤是关注的重点。定位槽在亚微米尺度的光-光互连中提供特殊自导引功能。本文介绍的光学插入器展示了将激光三维写入扩展应用到高密度光学封装的潜力，特别是在解决电信和数据中心中，光纤与硅光子处理器有效连接的关键瓶颈问题。此外，这种三维增减材工艺有望实现更高规模的集成和快速光子组装以及微光组件的封装，可被广泛地应用于生物光子芯片集成、可穿戴显示器等领域。

图1.边缘耦合插入器的示意图，提供了紧凑的封装解决方案，用于将12条多芯光纤（MCF）之间的84个通道互连到硅光子（SiP）光学处理芯片。 （a）飞秒（fs）激光将光波导扇形与刻蚀轨迹一起刻入，刻蚀轨迹在化学刻蚀后通向MCF对准插座。 二氧化硅的加法和减法激光加工促进了MCF的亚微米自对准，以有效地与插入波导耦合，（b）大大降低了光纤对准和封装从5轴到单轴（方位）对准的复杂性。

图2.（a）波导布线设计的示意图，从线性阵列（背面的SiP芯片）呈扇形展开到12个用于MCF封装的插座位置。 （b）制成的熔融石英中介层的照片。 （c）MCF插座的端视图，显示了在埋入式刻面上精确定位的波导。 （d）与1310 nm的MCF纤芯相比，中介层波导的模场图像和直径。 （e）MCF切面的图像，显示了七个芯波导及其标签的六边形排列。 （f）用UV固化粘合剂包装到插入器对准插座中后的MCF侧视图。在插入器中可以看到与MCF磁芯对齐的埋入式波导。

Peter R. Herman教授，分别于1982年和1986年在多伦多大学物理系获得硕士和博士学位，研究方向为激光和双原子光谱，于1987年在日本大阪大学激光工程研究所从事博士后研究，研究方向为激光等离子体物理和X射线激光。1988年加入多伦多大学电气与计算机工程系，现任全职教授，负责一个大型合作研究团队，该团队开发并应用激光技术和先进的光束传输系统，以控制和获取三维纳米制造新领域中的激光相互作用。他们的理念是：我们以光开始，以光装置结束。为此，Herman教授和他的研究团队取得了多项重大发现和研究进展，这些成果在业界产生了广泛的影响力，并在激光制造的众多领域中找到了商业应用。Herman教授是OSA，SPIE和IAPLE会士，获得多项专利，发表期刊和会议论文300多篇，并成立了FiLaser公司（目前是Coherent公司的一部分）。