Concepção e implementação de módulos híbridos multi-chip (MCMs) por nano-impressão 3D de ligações de fios fotônicos (PWBs). (a) Ilustração de um transmissor de oito canais, realizado como um MCM híbrido compreendendo PWBs impressos em 3D mostrados em vermelho. Os PWBs permitem conexões eficientes entre circuitos integrados fotônicos (PICs) que são realizados em diferentes plataformas de integração, combinando assim as forças complementares do sistema de material subjacente. O transmissor ilustrado combina lasers InP eficientes com moduladores eletro-ópticos em um chip fotônico de silício. A matriz do modulador é eletricamente acionada por meio de um fan-in de RF e conectada a uma matriz de fibras monomodo. (b) Interface entre um chip de laser InP e o chip transmissor fotônico de silício. A fonte de luz é realizada como um laser de emissão de superfície de cavidade horizontal (HCSEL), consistindo em uma cavidade óptica baseada em guia de onda no plano do substrato e um espelho de 45 ° gravado que redireciona a luz para a direção normal do substrato17. (c) Interface de fibra para chip. Para um acoplamento eficiente ao grande campo modal do SMF, os PWBs são projetados para ter uma seção transversal maior em direção à faceta da fibra. A trajetória de forma livre 3D dos PWBs é adaptada à posição exata das interfaces correspondentes e, portanto, substitui o alinhamento ativo de alta precisão dos chips. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
A nanimpressão tridimensional (3-D) de guias de ondas ópticas de forma livre, também conhecida como ligação de fio fotônico, pode acoplar-se com eficiência entre os chips fotônicos para simplificar muito a montagem do sistema óptico. A forma e a trajetória das ligações de fios fotônicos oferecem uma vantagem chave como uma alternativa às técnicas convencionais de montagem óptica que dependem de um alinhamento de alta precisão tecnicamente complexo e caro. Em um novo estudo agora publicado em Natureza:Luz, Ciência e Aplicações , Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah e uma equipe de pesquisa em fotônica, eletrônica quântica e tecnologia de microestrutura na Alemanha, motores de comunicação óptica demonstrados. O dispositivo contava com ligação de fio fotônico para conectar matrizes de moduladores fotônicos de silício a lasers e fibras monomodo. Eles projetaram as ligações de fios fotônicos nos chips no laboratório usando litografia 3-D avançada para conectar com eficiência uma variedade de plataformas de integração fotônica. Os cientistas simplificaram a montagem de módulos fotônicos multipasso avançados para transformar uma variedade de aplicações, desde comunicações de alta velocidade até processamento de sinal ultrarrápido, sensoriamento óptico, e processamento de informação quântica.
A integração fotônica é um método chave para transformar uma variedade de tecnologias quânticas. A maioria dos produtos comerciais no campo dependem da montagem discreta de chips fotônicos que requerem elementos de acoplamento, como adaptadores no chip e microlentes volumosas, ou redirecionando espelhos. A montagem de tais sistemas requer alinhamento ativo tecnicamente complexo, para monitorar continuamente a eficiência de acoplamento durante o desenvolvimento do dispositivo. Essas técnicas são classificadas como métodos de alto custo e baixo rendimento, e, como resultado, eles prejudicaram quaisquer vantagens da produção em massa em escala de wafer de circuitos integrados fotônicos (PIC). Neste estudo, Blaicher et al. combinou o desempenho e a flexibilidade de sistemas convencionais com a compactação e escalabilidade para integração monolítica usando técnicas avançadas de nanofabricação aditiva. Para projetar guias de onda de polímero de forma livre em dispositivos fotônicos, a equipe confiou na litografia de gravação direta de dois fótons. O método também é conhecido como ligação de fio fotônico para permitir um acoplamento óptico altamente eficiente em um processo totalmente automatizado.
Escalabilidade e estabilidade de ligações de fios fotônicos. (a) Micrografia de um campo de pontes PWB no chip densamente espaçadas conectando as extremidades cônicas para baixo de guias de onda de tira de SiP. Os PWB são cobertos por um revestimento protetor de baixo índice. A amostra foi submetida a 500 ciclos de temperatura de -40 ° C / + 85 ° C além de 500 horas de teste de calor úmido a + 85 ° C e 85% de umidade relativa. Nenhuma mudança na transmissão nem nenhuma mudança física, como delaminação do material de revestimento do chip de SiP, foi observada. (b) Teste de calor úmido de longo prazo de PWB a 85 ° C e 85% de umidade relativa. Neste exemplo, a perda de inserção média é de aproximadamente 2 dB - um pouco maior do que a mostrada na Fig. 2 do manuscrito principal. Esta perda permanece estável ao longo de 3500 h de testes de calor úmido. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
Durante os experimentos, Blaicher et al. projetou 100 ligações de fio fotônico densamente espaçadas (PWBs). Os resultados experimentais formaram a base para a montagem simplificada de sistemas fotônicos multi-chip avançados. O módulo experimental continha múltiplas matrizes fotônicas baseadas em diferentes sistemas de materiais, incluindo fosfeto de índio (InP) ou silício sobre isolante (SOI). As etapas experimentais de montagem não exigiam alinhamento de alta precisão e os cientistas conseguiram conexões chip a chip e fibra a chip usando ligações de fios fotônicos 3-D de forma livre. Antes de fabricar PWBs, Blaicher et al. detectou marcadores de alinhamento no chip usando imagens 3-D e técnicas de visão por computador. Depois disso, eles usaram litografia de dois fótons para fabricar os PWBs, permitindo resolução na escala sub-mícron. A equipe colocou clipes ópticos lado a lado na configuração para evitar gargalos térmicos para uma conexão térmica eficiente. O módulo multichip híbrido (MCM) contou com conexões eficientes do chip fotônico de silício (SiP) para a fonte de luz InP e para a fibra de transmissão de saída. A equipe percebeu as fontes de luz como lasers emissores de superfície da cavidade horizontal (HCSELs) e quando combinaram os PWBs com microlentes, eles poderiam facilitar conexões ópticas fora do plano à superfície do chip.
Fabricação automatizada e estabilidade ambiental. (a) Matriz de estruturas de teste PWB densamente espaçadas no chip. A imagem do microscópio eletrônico de varredura (SEM) representa um subconjunto de uma matriz de 100 PWBs realizada em um chip de teste fotônico de silício (SiP) dedicado. As pontes PWB conectam extremidades cônicas de guias de onda de tira SiP, separados por 100 µm. Imagens 3D de alta resolução em combinação com visão computacional são usadas para detecção automatizada do acoplamento óptico com alta precisão (melhor que 100 nm) e permite a definição litográfica altamente reproduzível das estruturas de forma livre. Os guias de onda são finalmente incorporados em um polímero de baixo índice curável por UV (não mostrado), que atua como um revestimento protetor e permite o ajuste do contraste do índice de refração. (b) Histograma mostrando perdas de inserção medidas de 100 pontes PWB no chip diretamente após a fabricação (azul), bem como após os testes de ciclo de temperatura, compreendendo 120 (laranja) e 225 (verde) ciclos. A transmissão indicada compreende a perda de propagação no guia de onda de polímero de forma livre dos PWBs, bem como a perda geral de ambas as interfaces de cone duplo para os guias de onda de tira SiP adjacentes. Após a fabricação, as pontes PWB apresentam uma perda de inserção média de 0,73 dB e um desvio padrão de 0,15 dB, e a perda da pior estrutura foi de 1,2 dB. Esses números não são afetados essencialmente pelos ciclos de temperatura. As formas ligeiramente diferentes dos histogramas são atribuídas ao fato de que as amostras tiveram que ser removidas da configuração de medição para ciclos de temperatura, levando a pequenas mudanças na eficiência do acoplamento de fibra-chip. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
No primeiro experimento, usando chips de teste fabricados por meio de litografia UV profunda, a equipe mostrou que os PWBs forneciam conexões ópticas de baixa perda. Cada chip de teste continha 100 estruturas de teste para separar a perda de PWB da perda de acoplamento de chip de fibra. A fabricação em laboratório de PWB foi totalmente automatizada, levando aproximadamente 30 segundos por conexão e o processo pode ser ainda mais acelerado. A equipe obteve resultados comparáveis ao replicar os experimentos em outros chips de teste para demonstrar claramente a excelente reprodutibilidade do processo. Os cientistas então expuseram a amostra a múltiplos ciclos de temperatura variando de -40 ° C a 85 ° C para provar a confiabilidade das estruturas sob condições ambientais tecnicamente relevantes. As amostras não sofreram degradação de desempenho ou deformação durante os experimentos. Para entender a capacidade de manipulação de alta potência das estruturas PWB, eles submeteram as amostras a irradiação de laser contínua a 1550 nm, com o aumento dos níveis de potência óptica. Os experimentos mostraram a possibilidade de usar PWBs para alto desempenho em ambientes industrialmente relevantes e sob níveis de potência realistas.
Módulo transmissor de múltiplos chips (Tx) de oito canais combinando matrizes de laser InP e matrizes de modulador SiP. O módulo é voltado para transmissão em redes de data center e campus com distâncias máximas de 10 km, usando modulação de intensidade simples e técnicas de detecção direta. (a) Imagem microscópica de luz da montagem Tx realizada de acordo com o conceito experimental. A matriz de moduladores Mach-Zehnder (MZMs) é conectada a uma matriz HCSEL baseada em InP (“matriz de laser”) e a uma matriz de fibras monomodo por PWBs (não visível aqui). Os poderes de lançamento, medido na fibra monomodo para transmissão máxima dos moduladores, são suficientes para transmissão em distâncias típicas para centros de dados e redes de área de campus, sem a necessidade de amplificadores ópticos. As variações da potência de lançamento são atribuídas principalmente ao acoplamento não ideal de e para o chip SiP. Canal 6 * contém um divisor adicional de 3 dB no chip para teste, o que leva a uma perda adicional. (b) Configuração experimental para demonstrações de transmissão usando diferentes formatos de modulação e distâncias. Um gerador de forma de onda arbitrária (AWG) é usado para acionar os MZMs. Na demonstração, os moduladores são operados sequencialmente por meio de uma sonda de RF que entrega o sinal de acionamento na entrada e outra sonda de RF para fornecer uma terminação de 50 Ω na saída. O sinal óptico é enviado por até 10 km de SMF padrão e é detectado por um fotorreceptor que contém um fotodetector junto com um amplificador de transimpedância de alta velocidade. Um osciloscópio em tempo real é usado para capturar os sinais elétricos para o processamento off-line subsequente. (c) Diagramas de olho para transmissão em várias distâncias, com diferentes formatos de modulação e taxas de símbolo. Como esperado dos poderes de lançamento, Canal 8 mostra os olhos mais abertos, enquanto o Canal 6 é distorcido pelo ruído. d Taxas de erro de bit estimadas (BERs) para transmissão em várias distâncias, com diferentes formatos de modulação e taxas de símbolo. Para todos os experimentos, o BER fica abaixo do limite HD-FEC de 7%. A taxa de linha do módulo agregado atinge 448 Gbit / s. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
Para então demonstrar a viabilidade técnica da abordagem PWB, Blaicher et al. percebeu um mecanismo de transmissor fotônico multi-chip (Tx) funcional de oito canais que combinava arranjos de laser baseados em InP e arranjos moduladores de SiP (chip fotônico de silício) para modular a intensidade. O conjunto completo continha duas matrizes de quatro lasers de emissão de superfície de cavidade horizontal, conectado por meio de PWBs a uma série de modulações Mach Zehnder do tipo de depleção de ondas viajantes. A demonstração foi uma prova de princípio, deixando espaço para otimização.
Durante a segunda série de experimentos, a equipe formou um módulo transmissor multi-etapas de quatro canais para comunicação coerente. Neste módulo, eles combinaram a integração híbrida multi-chip contendo PWBs com integração híbrida no chip de moduladores eletro-ópticos, para combinar os guias de onda do nanofio SiP com materiais eletro-ópticos altamente eficientes. A configuração resultou em dispositivos altamente eficientes com baixo consumo de energia.
Módulo transmissor coerente de quatro canais combinando conceitos de integração híbrida nos níveis de chip e pacote. (a) Impressão artística do módulo multi-chip (MCM) que consiste em quatro fontes de luz HCSEL baseadas em InP, uma matriz de quatro moduladores híbridos orgânicos de silício (SOH), e quatro fibras de transmissão, todos conectados por ligações de fios fotônicos (PWBs). A pegada geral do módulo Tx completo é de 4 × 1,5 mm2. (b) Vista superior e seção transversal de um modulador SOH Mach-Zehnder (MZM). O material eletro-óptico orgânico (EO) (contorno vermelho) é dispensado após a fabricação do PWB. O MZM consiste em dois moduladores de fase de guia de onda de slot (WG), acionado no modo push-pull por uma única linha de transmissão coplanar na configuração terra-sinal-terra (GSG). Dentro dos deslocadores de fase de guia de onda de slot, o componente elétrico dominante do modo quasi-TE óptico exibe uma forte sobreposição com o campo de modo RF elétrico, resultando em uma alta eficiência de modulação32. (c) Configuração experimental. Cada HCSEL alimenta um modulador IQ. Os sinais de acionamento elétrico para os moduladores são fornecidos por um gerador de forma de onda arbitrária (AWG). O sinal óptico é então amplificado, enviado por 75 km de SMF padrão, e detectado por um receptor coerente. Um osciloscópio em tempo real captura o sinal para o processamento off-line subsequente. (d) Diagramas de constelação e taxas de erro de bit medido associadas (BERs) para sinalização com 16QAM a taxas de símbolo de 28 GBd e 56 GBd. O desempenho do Canal 1 foi prejudicado pela menor potência de lançamento, de forma que apenas a transmissão QPSK poderia ser usada. Todos os valores de BER permanecem abaixo do limite para FEC de correção de erro direto de decisão difícil com sobrecarga de codificação de 7%. A taxa de linha do módulo agregado chega a 784 Gbit / s. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
Desta maneira, Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah e colegas conduziram a nanofabricação 3-D de ligações de fios fotônicos (PWBs) para superar os limites existentes das abordagens de integração fotônica híbrida. The team demonstrated the viability of the experimental setup using two key protocols to realize two different hybrid multi-chip transmitter engines. While the team focused on transmitter modules for high speed optical communication during this work, the technology may unlock a wide range of novel applications that benefit from the advantages of hybrid photonic integration.
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