Concepto e implementación de módulos híbridos multi-chip (MCMs) mediante nano-impresión 3D de enlaces de alambre fotónico (PWBs). (a) Ilustración de un transmisor de ocho canales, realizado como un MCM híbrido que comprende PWB impresos en 3D que se muestran en rojo. Los PWB permiten conexiones de manera eficiente entre circuitos integrados fotónicos (PIC) que se realizan en diferentes plataformas de integración, combinando así las fortalezas complementarias del sistema de materiales subyacente. El transmisor ilustrado combina láseres InP eficientes con moduladores electroópticos en un chip fotónico de silicio. La matriz de moduladores se acciona eléctricamente a través de un ventilador de RF y se conecta a una matriz de fibras monomodo. (b) Interfaz entre un chip láser InP y el chip transmisor fotónico de silicio. La fuente de luz se realiza como un láser emisor de superficie de cavidad horizontal (HCSEL), que consta de una cavidad óptica basada en una guía de ondas en el plano del sustrato y un espejo de 45 ° grabado que redirige la luz hacia la dirección normal del sustrato17. (c) Interfaz de fibra a chip. Para un acoplamiento eficiente al gran campo de modos del SMF, los PWB están diseñados para tener una sección transversal más grande hacia la faceta de la fibra. La trayectoria de forma libre 3D de los PWB se adapta a la posición exacta de las interfaces correspondientes y, por lo tanto, reemplaza la alineación activa de alta precisión de los chips. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
La nanoimpresión tridimensional (3-D) de guías de ondas ópticas de forma libre, también conocida como unión de cables fotónicos, puede acoplarse de manera eficiente entre chips fotónicos para simplificar enormemente el ensamblaje del sistema óptico. La forma y trayectoria de los enlaces de cables fotónicos ofrece una ventaja clave como alternativa a las técnicas de ensamblaje óptico convencionales que se basan en una alineación de alta precisión técnicamente compleja y costosa. En un nuevo estudio ahora publicado en Naturaleza:Luz, Ciencia y aplicaciones , Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah y un equipo de investigación en fotónica, electrónica cuántica y tecnología de microestructuras en Alemania, demostraron motores de comunicación óptica. El dispositivo se basó en la unión de cables fotónicos para conectar matrices de moduladores fotónicos de silicio a láseres y fibras monomodo. Diseñaron los enlaces de cables fotónicos en los chips en el laboratorio utilizando litografía 3-D avanzada para conectar de manera eficiente una variedad de plataformas de integración fotónica. Los científicos simplificaron el ensamblaje de módulos fotónicos avanzados de varios pasos para transformar una variedad de aplicaciones que van desde comunicaciones de alta velocidad hasta procesamiento de señales ultrarrápido. detección óptica, y procesamiento de información cuántica.
La integración fotónica es un método clave para transformar una variedad de tecnologías cuánticas. La mayoría de los productos comerciales en el campo se basan en el ensamblaje discreto de chips fotónicos que requieren elementos de acoplamiento como adaptadores en chip y microlentes voluminosos. o redirigir espejos. El montaje de tales sistemas requiere una alineación activa técnicamente compleja, para monitorear continuamente la eficiencia del acoplamiento durante el desarrollo del dispositivo. Estas técnicas se clasifican como métodos de alto costo y bajo rendimiento. y como resultado, hicieron retroceder cualquier ventaja de la producción en masa a escala de obleas de circuitos integrados fotónicos (PIC). En este estudio, Blaicher y col. combinó el rendimiento y la flexibilidad de los sistemas convencionales con la compacidad y escalabilidad para la integración monolítica utilizando técnicas avanzadas de nanofabricación aditiva. Para diseñar guías de ondas de polímeros de forma libre en dispositivos fotónicos, el equipo se basó en la litografía de dos fotones de escritura directa. El método también se conoce como unión de alambre fotónico para permitir un acoplamiento óptico altamente eficiente en un proceso completamente automatizado.
Escalabilidad y estabilidad de enlaces de cables fotónicos. (a) Micrografía de un campo de puentes PWB en chip densamente espaciados que conectan los extremos ahusados hacia abajo de las guías de onda de tiras de SiP. Los PWB están cubiertos con un revestimiento protector de bajo índice. La muestra ha sido sometida a 500 ciclos de temperatura de -40 ° C / + 85 ° C además de 500 horas de prueba de calor húmedo a + 85 ° C y 85% de humedad relativa. No se observaron cambios en la transmisión ni cambios físicos tales como deslaminación del material de revestimiento del chip de SiP. (b) Ensayo de calor húmedo a largo plazo de PWB a 85 ° C y 85% de humedad relativa. En esta muestra, la pérdida de inserción promedio asciende a aproximadamente 2 dB, un poco más alta que en la que se muestra en la Fig. 2 del manuscrito principal. Esta pérdida permanece estable durante las 3500 h completas de las pruebas de calor húmedo. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
Durante los experimentos Blaicher et al. diseñó 100 enlaces de alambre fotónico densamente espaciados (PWB). Los resultados experimentales formaron la base para el ensamblaje simplificado de avanzados sistemas fotónicos de múltiples chips. El módulo experimental contenía múltiples matrices fotónicas basadas en diferentes sistemas de materiales, incluido el fosfuro de indio (InP) o el silicio sobre aislante (SOI). Los pasos experimentales de ensamblaje no requirieron una alineación de alta precisión y los científicos lograron conexiones de chip a chip y de fibra a chip utilizando enlaces de cables fotónicos de forma libre en 3-D. Antes de fabricar PWB, Blaicher y col. detectaron marcadores de alineación en el chip utilizando técnicas de visión por computadora y de imágenes en 3D. Después de eso, utilizaron litografía de dos fotones para fabricar los PWB, permitiendo la resolución en la escala submicrónica. El equipo colocó clips ópticos uno al lado del otro en la configuración para evitar cuellos de botella térmicos para una conexión térmica eficiente. El módulo híbrido multichip (MCM) se basó en conexiones eficientes del chip fotónico de silicio (SiP) a la fuente de luz InP y a la fibra de transmisión de salida. El equipo se dio cuenta de las fuentes de luz como láseres emisores de superficie de cavidad horizontal (HCSEL) y cuando combinaron los PWB con microlentes, podrían facilitar las conexiones ópticas fuera del plano a la superficie del chip.
Fabricación automatizada y estabilidad ambiental. (a) Matriz de estructuras de prueba PWB en chip densamente espaciadas. La imagen del microscopio electrónico de barrido (SEM) muestra un subconjunto de una matriz de 100 PWB realizados en un chip de prueba de silicio fotónico (SiP) dedicado. Los puentes PWB conectan los extremos ahusados de las guías de onda de tiras de SiP, separados por 100 µm. Las imágenes 3D de alta resolución en combinación con la visión por computadora se utilizan para la detección automática del acoplamiento óptico con alta precisión (mejor que 100 nm) y permiten una definición litográfica altamente reproducible de las estructuras de forma libre. Las guías de ondas finalmente se incrustan en un polímero de bajo índice curable con UV (no se muestra), que actúa como revestimiento protector y permite ajustar el contraste del índice de refracción. (b) Histograma que muestra las pérdidas de inserción medidas de 100 puentes PWB en el chip directamente después de la fabricación (azul), así como después de las pruebas de ciclos de temperatura, que comprende 120 (naranja) y 225 (verde) ciclos. La transmisión indicada comprende la pérdida de propagación en la guía de ondas de polímero de forma libre de los PWB, así como la pérdida total de ambas interfaces de doble cono a las guías de ondas de banda de SiP adyacentes. Después de la fabricación, los puentes PWB exhiben una pérdida de inserción promedio de 0,73 dB y una desviación estándar de 0,15 dB, y la pérdida de la peor estructura fue de 1,2 dB. Estas cifras esencialmente no se ven afectadas por los ciclos de temperatura. Las formas ligeramente diferentes de los histogramas se atribuyen al hecho de que las muestras tuvieron que retirarse de la configuración de medición para el ciclo de temperatura. conduciendo a pequeños cambios en la eficiencia del acoplamiento fibra-chip. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
En el primer experimento, utilizando chips de prueba fabricados mediante litografía ultravioleta profunda, el equipo demostró que los PWB proporcionaban conexiones ópticas de baja pérdida. Cada chip de prueba contenía 100 estructuras de prueba para separar la pérdida de PWB de la pérdida de acoplamiento de fibra-chip. La fabricación en el laboratorio de PWB fue completamente automatizada, Tomando aproximadamente 30 segundos por conexión y el proceso podría acelerarse aún más. El equipo obtuvo resultados comparables al replicar los experimentos en otros chips de prueba para demostrar claramente la excelente reproducibilidad del proceso. Luego, los científicos expusieron la muestra a múltiples ciclos de temperatura que variaban de -40 ° C a 85 ° C para demostrar la confiabilidad de las estructuras en condiciones ambientales técnicamente relevantes. Las muestras no sufrieron degradación o deformación del rendimiento durante los experimentos. Para comprender la capacidad de manejo de alta potencia de las estructuras PWB, sometieron las muestras a irradiación láser continua a 1550 nm, con niveles crecientes de potencia óptica. Los experimentos mostraron la posibilidad de utilizar PWB para un alto rendimiento en entornos industrialmente relevantes y con niveles de potencia realistas.
Módulo transmisor multichip (Tx) de ocho canales que combina matrices de láser InP y matrices de moduladores SiP. El módulo está orientado a la transmisión en redes de centros de datos y áreas de campus con distancias máximas de 10 km, utilizando técnicas simples de modulación de intensidad y detección directa. (a) Imagen de microscopio óptico del conjunto Tx realizada según el concepto experimental. La matriz de moduladores Mach-Zehnder (MZM) está conectada a una matriz HCSEL basada en InP ("matriz láser") y a una matriz de fibras monomodo mediante PWB (no visible aquí). Los poderes de lanzamiento, medido en la fibra monomodo para la máxima transmisión de los moduladores, son suficientes para la transmisión a distancias típicas de centros de datos y redes de área de campus, sin necesidad de amplificadores ópticos. Las variaciones de potencia de lanzamiento se atribuyen principalmente a un acoplamiento no ideal hacia y desde el chip SiP. El canal 6 * contiene un divisor adicional de 3 dB en el chip para realizar pruebas, lo que conduce a una pérdida adicional. (b) Configuración experimental para demostraciones de transmisión utilizando diferentes formatos de modulación y distancias. Se utiliza un generador de forma de onda arbitraria (AWG) para impulsar los MZM. En la demostración, los moduladores se operan secuencialmente a través de una sonda de RF que entrega la señal de excitación en la entrada y otra sonda de RF para proporcionar una terminación de 50 Ω en la salida. La señal óptica se envía a través de hasta 10 km de SMF estándar y se detecta con un fotorreceptor que contiene un fotodetector junto con un amplificador de transimpedancia de alta velocidad. Se utiliza un osciloscopio en tiempo real para capturar las señales eléctricas para su posterior procesamiento fuera de línea. (c) Diagramas de ojo para transmisión a varias distancias, con diferentes formatos de modulación y velocidades de símbolo. Como se esperaba de los poderes de lanzamiento, El canal 8 muestra los ojos más abiertos, mientras que el canal 6 está distorsionado por el ruido. d Tasas de error de bit (BER) estimadas para la transmisión a varias distancias, con diferentes formatos de modulación y velocidades de símbolo. Para todos los experimentos, la BER permanece por debajo del umbral del 7% HD-FEC. La tasa de línea agregada del módulo asciende a 448 Gbit / s. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
Para luego demostrar la viabilidad técnica del enfoque PWB, Blaicher y col. realizó un motor transmisor (Tx) fotónico de múltiples chips funcional de ocho canales que combinaba matrices de láser basadas en InP y matrices de moduladores de SiP (chip fotónico de silicio) para modular la intensidad. El conjunto completo contenía dos matrices de cuatro láseres emisores de superficie de cavidad horizontal, conectado a través de PWB a una serie de modulaciones Mach Zehnder de tipo de agotamiento de ondas viajeras. La demostración fue una prueba de principio, dejando espacio para la optimización.
Durante la segunda serie de experimentos, el equipo formó un módulo transmisor de varios pasos de cuatro canales para una comunicación coherente. En este módulo, combinaron la integración híbrida de varios chips que contienen PWB con la integración híbrida en el chip de moduladores electroópticos, para combinar las guías de ondas de nanocables de SiP con materiales electroópticos de alta eficiencia. La configuración resultó en dispositivos altamente eficientes con bajo consumo de energía.
Módulo transmisor coherente de cuatro canales que combina conceptos de integración híbrida en los niveles de chip y paquete. a) Impresión artística del módulo de varios chips (MCM) que consta de cuatro fuentes de luz HCSEL basadas en InP, una matriz de cuatro moduladores híbridos de silicio orgánico (SOH), y cuatro fibras de transmisión, todos conectados por enlaces de cables fotónicos (PWB). La huella total del módulo Tx completo asciende a 4 × 1,5 mm2. (b) Vista superior y sección transversal de un modulador SOH Mach-Zehnder (MZM). El material orgánico electroóptico (EO) (contorno rojo) se microdispensa después de la fabricación del PWB. El MZM consta de dos moduladores de fase de guía de ondas de ranura (WG), impulsado en modo push-pull por una sola línea de transmisión coplanar en configuración tierra-señal-tierra (GSG). Dentro de los desplazadores de fase de la guía de ondas de ranura, el componente eléctrico dominante del modo óptico cuasi-TE exhibe una fuerte superposición con el campo eléctrico del modo RF, resultando en una alta eficiencia de modulación32. (c) Configuración experimental. Cada HCSEL alimenta un modulador de IQ. Las señales de excitación eléctrica para los moduladores son proporcionadas por un generador de forma de onda arbitraria (AWG). Luego se amplifica la señal óptica, enviado a través de 75 km de SMF estándar, y detectado por un receptor coherente. Un osciloscopio en tiempo real captura la señal para su posterior procesamiento fuera de línea. (d) Diagramas de constelación y ratios de error de bits medidos (BER) asociados para señalización con 16QAM a velocidades de símbolo de 28 GBd y 56 GBd. El rendimiento del Canal 1 se vio afectado por una menor potencia de lanzamiento, de modo que solo se pudo utilizar la transmisión QPSK. Todos los valores de BER permanecen por debajo del umbral para la FEC de corrección de errores hacia adelante de decisión difícil con una sobrecarga de codificación del 7%. La tasa de línea agregada del módulo asciende a 784 Gbit / s. Crédito:Light:Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-020-0272-5
De este modo, Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah and colleagues conducted 3-D nanofabrication of photonic wire bonds (PWBs) to overcome the existing limits of hybrid photonic integration approaches. 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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