基于雙光子聚合的片上光學(xué)互連（特邀）

趙曜，林琳涵，孫洪波

（清華大學(xué)精密儀器系，精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

0 引言

集成光子芯片具有低功耗、低延遲、小體積、大帶寬等優(yōu)勢(shì)，是下一代通訊系統(tǒng)和數(shù)據(jù)互聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)［1-3］。同時(shí)集成光學(xué)在光學(xué)傳感［4］、量子信息處理［5-6］、光學(xué)操縱［7］等領(lǐng)域有迫切的應(yīng)用需求。一個(gè)完整的光子芯片由光源、低損耗波導(dǎo)、調(diào)制器、探測器等部件組成［8-10］。目前，單一光學(xué)元件可以做到很高的性能，但是如何將這些光學(xué)元件可靠地集成在一起，是非常重要的挑戰(zhàn)。例如，硅基光子集成與微電子產(chǎn)業(yè)中成熟的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）工藝兼容，且硅具有高折射率，極大的降低了光斑尺寸，可以使光路緊湊，是集成低損耗波導(dǎo)的良好材料。但由于硅是間接帶隙半導(dǎo)體，發(fā)光效率非常低，硅基光源的集成是極其困難的。Ⅲ/Ⅴ族半導(dǎo)體，如InP（磷化銦）、GaAs（砷化鎵）具有直接帶隙的能帶結(jié)構(gòu)，是片上集成光源的最優(yōu)解［11-12］。又如LiNbO3（鈮酸鋰）調(diào)制器［13］、Ge（鍺）探測器［14］、YIG（釔鐵石榴石）光隔離器［15］等器件，相比于硅基器件來說都有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)這些性能優(yōu)越的光電器件的有機(jī)集成，目前主要有有兩種解決方案。第一種方案是混合集成［16-19］，在各自最優(yōu)材料體系內(nèi)加工不同的光電器件，后通過透鏡耦合、光柵耦合或倒裝焊等方法集成到一起，這需要極高精度的主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，離散的組裝失去了緊密集成的意義，也很難進(jìn)行具有高重復(fù)性的大規(guī)模光子集成。第二種方案是單片集成［20-22］，即在單一基底上鍵合或直接外延生長異質(zhì)材料，再制備所需的功能芯片，但是工藝難度非常大，良品率不高，且技術(shù)很難移植。一種具有定位精度寬松、通用性強(qiáng)、損耗低、帶寬大的光子集成技術(shù)顯得尤為重要。

受三維電沉積的金屬［23］和導(dǎo)電聚合物引線鍵合［24］所啟發(fā)，近來出現(xiàn)了一種直接光引線鍵合（Direct Optical Wire，DOW）技術(shù)［25］。該技術(shù)利用擠出聚合物液體中溶劑的快速揮發(fā)以創(chuàng)建拱形聚合物通路。微型移液槍內(nèi)裝有含聚苯乙烯的二甲苯溶液，當(dāng)微移液器擠出聚合物溶液時(shí)，二甲苯迅速揮發(fā)，留下聚苯乙烯固體聚集體，產(chǎn)生連接兩端的聚合物光學(xué)橋接。通過控制微型移液槍的拉速度，引線的局部尺寸受控變化。該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)光柵耦合器之間、光柵耦合器和光纖間的光學(xué)互聯(lián)，損耗分別在6 dB 和10 dB。該技術(shù)有兩個(gè)局限：一是截面形狀和路徑不完全可控，精度低，且路徑自由度小，不利于實(shí)現(xiàn)較小的對(duì)接和傳輸損耗。二是采用物理接觸方式，很難做到重復(fù)和深入式加工。

飛秒激光作為微納加工的重要工具，更適合于片上光學(xué)元件的制造和集成［26-28］。飛秒激光具有高峰值功率，在焦點(diǎn)處會(huì)引發(fā)雙光子吸收這一三階非線性效應(yīng)，引發(fā)光刻膠材料體系的交聯(lián)。雙光子吸收和光強(qiáng)的平方成正比，其吸收光強(qiáng)度會(huì)隨著距離焦點(diǎn)的距離迅速衰減，所以雙光子聚合（Two-Photon Polymerization，TPP）的加工體素遠(yuǎn)小于衍射極限，橫向可達(dá)100 nm 的精度。此外，雙光子聚合可以實(shí)現(xiàn)真三維、無掩模和定制化加工，具有非常高的自由度。飛秒激光已經(jīng)成為微納增材制造領(lǐng)域不可缺少的工具，在功能材料納米3D 打?。?9-30］、微光學(xué)元件［31-32］、光學(xué)操控［7］、微流控［33］、生物醫(yī)學(xué)［34］等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)光子芯片集成，對(duì)片上光學(xué)元件的激光增材制造這一領(lǐng)域進(jìn)行綜述，探討了光子引線鍵合和微空間光路元件兩種技術(shù)路徑，總結(jié)了現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對(duì)未來的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 光子引線鍵合

1.1 無源材料體系的光子引線鍵合

飛秒激光直寫光刻膠，利用雙光子聚合制造聚合物波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)不同光學(xué)接口間的光學(xué)直接互連，被稱作光子引線鍵合（Photonic Wire Bonding，PWB）。這種技術(shù)類似光纖頭中間接了根光纖跳線，所以又被稱為光子跳線。在實(shí)際的片上互連中，器件接口的狀態(tài)會(huì)有所差異，如接口的折射率分布、空間位置、尺寸、方向等。光子引線鍵合技術(shù)就是為解決多材料光電器件在尺寸、模場和空間布局的不匹配性應(yīng)運(yùn)而生的。利用該技術(shù)可以將器件的初始對(duì)準(zhǔn)精度放寬至10 μm 量級(jí)，極大地降低了主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的要求。

2012年，德國研究者利用飛秒激光在SU8 光刻膠內(nèi)部直寫波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)SOI 波導(dǎo)的片間光學(xué)互連［35］，見圖1（a）。在1 550 nm，Si 和SU8 折射率分別為3.48 和1.57，兩者折射率的巨大差值引起模場的巨大差異。為實(shí)現(xiàn)接口處的高效耦合，他們?cè)O(shè)計(jì)了絕熱耦合結(jié)構(gòu)，見圖1（b），SOI 波導(dǎo)和聚合物波導(dǎo)都被設(shè)計(jì)成倒錐形結(jié)構(gòu)，且在較長的一段過渡區(qū)域內(nèi)利用聚合物包裹SOI 波導(dǎo)。SOI 波導(dǎo)寬度在32 μm 的長度上逐漸從500 nm 縮小到幾十納米的尖端寬度，相反PWB 從初始的高450 nm、寬760 nm 的尺寸，分別均勻擴(kuò)大至1.6 μm 和2 μm。顯影后，結(jié)構(gòu)浸泡在折射率匹配液中。實(shí)驗(yàn)測得光子跳線在C 波段具有低損耗寬帶傳輸能力，平均損耗1.6 dB，見圖1（c）。他們測試了總速率為5.25 Tbit/s 的波分復(fù)用（Wavelength-Division Multiplexing WDM）數(shù)據(jù)流，每個(gè)載波都用16 進(jìn)制正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）進(jìn)行信號(hào)調(diào)制。為了對(duì)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行定量測量，誤差矢量幅度（Error-Vector Magnitude，EVM）被引入。EVM 表示實(shí)際測量波形與理論調(diào)制波形之間的偏差，對(duì)比SOI 參考波導(dǎo)的傳輸，平均EVM 僅從9.1%增加到9.5%，見圖1（d），這可以說明PWB 沒有引入明顯的信號(hào)質(zhì)量下降。結(jié)果表明，光子引線鍵合技術(shù)優(yōu)于光纖和光柵耦合器的的互連，并且可以與電子束光刻（Electron Beam Lithography，EBL）制備的平面耦合技術(shù)一較高下。該技術(shù)也被應(yīng)用于Si3N4平臺(tái)上，將PWB 的波長拓展到了可見光［36］。

圖1 基于PWB 的SOI 波導(dǎo)間光學(xué)互連Fig.1 Optical interconnection between SOI waveguides based on PWB

基于飛秒激光增材制造的聚合物波導(dǎo)具有很好的可拓展性和熱穩(wěn)定性［37］。經(jīng)過選材和工藝的優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合先進(jìn)的接口檢測和圖像識(shí)別技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)100 根硅波導(dǎo)間引線的重復(fù)性加工，平均每根引線的加工時(shí)間在30 s，見圖1（e）。經(jīng)測試，研究者得到了平均0.73 dB、標(biāo)準(zhǔn)差為0.15 dB 的低損耗數(shù)據(jù)。令人鼓舞的是，樣品經(jīng)過-40 °C 至85 °C 共225 輪溫度循環(huán)后，材料結(jié)構(gòu)和組分完好，性能沒有下降，見圖1（g）。

該技術(shù)也被引入到了SOI 波導(dǎo)和多芯光纖的互連上來［38］（見圖2）。研究者對(duì)SOI 波導(dǎo)與光纖的互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和模擬。PWB 在SOI 波導(dǎo)端口的耦合口設(shè)計(jì)得到了延續(xù)，被設(shè)計(jì)成方形截面的倒錐形漸變結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)光纖圓形模場，PWB 截面以絕熱方式從方形逐漸變化為圓形，并以喇叭口結(jié)構(gòu)直連至光纖纖芯以適應(yīng)更大的光纖模式，保證了接口處的容錯(cuò)性。在寫入結(jié)構(gòu)時(shí)，為了避免逐層掃描引起的邊緣分層問題，他們先在結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行螺旋式加工使結(jié)構(gòu)內(nèi)部交聯(lián)，然后寫入外殼使結(jié)構(gòu)更加平滑以減小損耗。實(shí)驗(yàn)測得多核光纖與SOI 波導(dǎo)的插入損耗在1.7 dB 至6.8 dB 之間，高損耗可能是制造缺陷或軸向加工誤差導(dǎo)致?？梢灶A(yù)計(jì)，通過優(yōu)化錐形耦合結(jié)構(gòu)和制造工藝，光纖和波導(dǎo)間損耗會(huì)進(jìn)一步降低。

圖2 SOI 波導(dǎo)和多核光纖的片間PWB 互連［38］Fig.2 PWB interconnection between SOI waveguides and multicore fibers［38］

1.2 有源材料體系的光子引線鍵合

Ⅲ/Ⅴ族光源與硅光波導(dǎo)的高效耦合是集成光學(xué)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。將有源材料體系和無源材料體系結(jié)合起來，是光子引線鍵合重要的技術(shù)出口。有學(xué)者演示了基于InP 的水平腔表面發(fā)射激光器（Horizontal Cavity Surface Emitting Laser，HCSEL）和硅光子平臺(tái)之間的高效耦合［39］。HCSEL 由平面內(nèi)InGaAsP 分布式反饋激光器（Distributed Feedback Laser，DFB）激光腔和蝕刻的45°鏡面組成，以偏轉(zhuǎn)光線到表面出射（見圖3）。由于HCSEL 偏轉(zhuǎn)鏡傾斜角度存在誤差，所以激光出射方向和芯片表面之間不一定是嚴(yán)格垂直的。因此，PWB 結(jié)構(gòu)的初始方向必須做出相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)接口之間的模場匹配，PWB 需要定制化設(shè)計(jì)耦合漸變結(jié)構(gòu)，同時(shí)考慮PWB 與激光器出射端口和波導(dǎo)接口的耦合效率和波導(dǎo)彎折引起的光能泄漏，以實(shí)現(xiàn)HCSEL 激光的收集和偏轉(zhuǎn)，以及硅波導(dǎo)小模場的轉(zhuǎn)變。實(shí)驗(yàn)測的耦合損耗可以降低至0.4 dB。

圖3 InP 激光器和硅芯片間的光子引線鍵合設(shè)計(jì)和測試Fig.3 PWB design and test between InP lasers and silicon chips

同時(shí)，利用PWB 技術(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)InP 激光器、硅光子調(diào)制器陣列和單模光纖三個(gè)孤立器件之間的光學(xué)互連［37］。將兩片含四個(gè)HCSEL 的激光器陣列作為八路激光光源，通過第一個(gè)PWB 陣列連接到耗盡型馬赫-曾德爾調(diào)制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）陣列進(jìn)行調(diào)制，又通過第二個(gè)PWB 陣列連接單模光纖陣列實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出，可以實(shí)現(xiàn)八通道通信功能（見圖4）。每個(gè)通道提供高達(dá)56 Gbit/s 的線路速率，從而實(shí)現(xiàn)448 Gbit/s 的總線速率。此外，基于PWB 互連的能夠以732.7 Gbit/s 的凈數(shù)據(jù)速率運(yùn)行的四通道相干發(fā)射器也被提出?？梢?，PWB 技術(shù)可作為高速光通信的可靠技術(shù)方案。

圖4 基于PWB 的八通道通信芯片［37］Fig.4 Eight-channel transmitter communication chip based on PWB［37］

2 微空間光路元件

與光子引線鍵合技術(shù)不同，微空間光路元件的技術(shù)方案不涉及兩個(gè)端口的直接物理連接，而是通過制備微型空間光路元件，如微型反射鏡、微型耦合器、微棱鏡等，對(duì)輸入的空間光或者導(dǎo)波光信號(hào)進(jìn)行處理后，再以空間光或?qū)Рü獾男问竭M(jìn)行輸出。微空間光路元件可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)信號(hào)的自由傳導(dǎo)和特性變換，是集成光學(xué)的重要一環(huán)。

有研究者利用雙光子聚合，巧妙地設(shè)計(jì)并制備了即插即用的光纖-波導(dǎo)耦合器［40］，該結(jié)構(gòu)留了一個(gè)光纖接口，任意的輸入光纖均可插入該端口，光信號(hào)經(jīng)尾部的全內(nèi)反射（Total Internal Reflection，TIR）結(jié)構(gòu)進(jìn)入硅光柵耦合器中，見圖5（a），經(jīng)測試，相比于單模光纖和光柵耦合器間的損耗，聚合物耦合器只引入了0.05 dB 的額外損耗。此外，單個(gè)耦合器的制作時(shí)間僅為三分鐘，可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)性的批量制造。利用飛秒激光直寫的聚合物Otto棱鏡結(jié)構(gòu)，見圖5（b），可以將空間光轉(zhuǎn)換為一維光子晶體中的布洛赫表面波，耦合效率超過40%［41］。近來，有研究者利用雙光子聚合制備的三維多通道輸入、多通道輸出的分層耦合器，見圖5（c），演示了大規(guī)模、高度連接和復(fù)雜的光學(xué)互連的復(fù)雜3D 路由拓?fù)?，為大?guī)模集成的光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做好鋪墊［42］。這些微空間光路元件的增材制造打破了平面光刻結(jié)構(gòu)的維度限制，可以極大提升片上光學(xué)元件的集成度并拓寬其應(yīng)用自由度。

圖5 基于雙光子聚合加工的具有集成度的微空間光路元件Fig.5 Micro-space optical device with an integrated degree based on two-photon polymerization

以飛秒激光直寫的聚合物結(jié)構(gòu)作為基本光學(xué)元件，實(shí)現(xiàn)片間的自由空間互連具有重要的意義。有研究者將幾何光學(xué)的設(shè)計(jì)思路引入到集成光學(xué)［43］，他們?cè)O(shè)計(jì)了單透鏡、透鏡組、反射元件這些基本的光學(xué)元件，見圖6（a）、6（b）并對(duì)其進(jìn)行組合，可以實(shí)現(xiàn)光束的模斑尺寸變換、傳播方向的轉(zhuǎn)換，以適應(yīng)異質(zhì)材料光學(xué)接口間模式失配和角度錯(cuò)位等問題，在邊緣發(fā)射激光器和單模光纖之間實(shí)現(xiàn)了高達(dá)88%的耦合效率，并且極大的降低了對(duì)齊公差。自由形式的微空間光路元件大大簡化了光學(xué)系統(tǒng)組裝，有利于提升光子芯片的集成度及其對(duì)光學(xué)信號(hào)的處理能力。基于TPP 的片上偏振轉(zhuǎn)換器能夠可以對(duì)光束的偏振特性進(jìn)行調(diào)控和路由［31］，能夠?qū)崿F(xiàn)1 550 nm 處高于90%的偏振轉(zhuǎn)換效率，是自由空間互連的重要組成部分?；赥PP 的自由曲面微光學(xué)器件被應(yīng)用于片上微型光鑷［7］。研究者在波導(dǎo)端面分別加工了聚合物反射式和折射式透鏡，在芯片兩端通光實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸浮顆粒的高效捕獲。片上光鑷具有結(jié)構(gòu)緊湊、高捕獲效率的優(yōu)勢(shì)，而且可擴(kuò)展集成，在片上傳感、粒子動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

圖6 自由微空間光路元件的組合，實(shí)現(xiàn)片上互連［43］Fig.6 Combining of free micro-space optical device to achieve on-chip interconnects［43］

3 總結(jié)與展望

光子芯片需要光源、低損耗波導(dǎo)、調(diào)制器、探測器等多類部件組成，然而單一材料體系實(shí)現(xiàn)其完整功能是極其困難的。目前，基于多材料體系的單一片上光電器件性能已經(jīng)獲得較好的優(yōu)化，然而其有效集成一直是限制光電芯片集成的重大問題。無論是基于透鏡耦合、倒裝焊等方法的混合集成，還是通過晶圓鍵合或外延的單片集成，都難以同時(shí)解決低定位精度、低拓展性、高損耗、低帶寬等一系列問題。此外，不同光學(xué)接口的折射率分布、空間位置、尺寸、方向的差異，進(jìn)一步提升了器件互連的難度。把精度高、穿透性強(qiáng)的飛秒激光作為利器，在光刻膠內(nèi)部直寫任意三維聚合物結(jié)構(gòu)，根據(jù)芯片自身的特點(diǎn)設(shè)計(jì)獨(dú)特的光學(xué)元件，這是傳統(tǒng)的光刻技術(shù)無法企及的。飛秒激光的高度自由化加工大大簡化了傳統(tǒng)光學(xué)高精度對(duì)齊的裝配技術(shù)，并可以實(shí)現(xiàn)無掩模加工。光子跳線架起了無源有源芯片的橋梁，自由光路的微空間光路元件更拓展了空間光路的可能性。

基于雙光子聚合的片上光學(xué)元件互連還面臨一些局限。首先，多材料平臺(tái)會(huì)引入更大的的空間復(fù)雜度，可能伴隨幾百微米的縱深和方向角的互異性。高數(shù)值孔徑物鏡可以實(shí)現(xiàn)高精度的加工，但是其工作距離較短，實(shí)際加工中往往需要在高精度和高空間自由度之間做取舍。這提出了對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步要求。其次，材料體系的分層結(jié)構(gòu)會(huì)引入成像的復(fù)雜度，會(huì)干擾不同器件的位置識(shí)別，影響加工定位的準(zhǔn)確度。這需要借助高軸向分辨的共聚焦或差動(dòng)共焦顯微成像技術(shù)，結(jié)合機(jī)器視覺以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的加工定位。最后，光子集成向著高度集成化的方向發(fā)展，這對(duì)耦合器件的空間尺寸提出了要求。為了適應(yīng)波導(dǎo)和光子引線折射率的較大差別，現(xiàn)有的光學(xué)接口需要幾十微米的耦合距離。超構(gòu)光子學(xué)基于人工設(shè)計(jì)的亞波長微納結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波多維度的精確調(diào)控，如超表面能夠調(diào)節(jié)光束的偏振特性并產(chǎn)生特定的復(fù)雜光束，超透鏡可以實(shí)現(xiàn)高效率、高數(shù)值孔徑的聚焦，拓?fù)涔庾泳w可以實(shí)現(xiàn)高緊湊的光束偏轉(zhuǎn)。雙光子聚合微納增材制造與超構(gòu)光子學(xué)相結(jié)合，期待實(shí)現(xiàn)密集集成的多維度光學(xué)調(diào)控。

雙光子聚合技術(shù)結(jié)合多材料的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)更多的功能化集成。對(duì)聚合物前驅(qū)體進(jìn)行預(yù)摻雜如金屬、二氧化硅納米粒子、稀土元素等［29，44，45］，可以改變加工結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)，甚至通過后去除聚合物成分的方法僅保留預(yù)摻雜成分，實(shí)現(xiàn)功能性微納結(jié)構(gòu)的三維加工，拓展雙光子聚合在集成光學(xué)領(lǐng)域的可能性?？芍貥?gòu)光學(xué)或光學(xué)可擦寫在片上光學(xué)調(diào)控和信息保護(hù)方面有重要意義，雙光子聚合技術(shù)可以考慮與光學(xué)相變材料或液晶材料相結(jié)合，在外加信號(hào)的調(diào)節(jié)下，實(shí)現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。