Concept et réalisation de modules hybrides multi-puces (MCM) par nano-impression 3D de liaisons filaires photoniques (PWB). (a) Illustration d'un émetteur à huit canaux, réalisé comme un MCM hybride comprenant des PWB imprimés en 3D indiqués en rouge. Les PWB permettent des connexions efficaces entre les circuits intégrés photoniques (PIC) qui sont réalisés sur différentes plates-formes d'intégration, combinant ainsi les forces complémentaires du système matériel sous-jacent. L'émetteur illustré combine des lasers InP efficaces avec des modulateurs électro-optiques sur une puce photonique en silicium. Le réseau de modulateurs est commandé électriquement via un ventilateur RF et connecté à un réseau de fibres monomodes. (b) Interface entre une puce laser InP et la puce de transmission photonique au silicium. La source lumineuse est réalisée sous la forme d'un laser à cavité horizontale à émission de surface (HCSEL), composé d'une cavité optique à base de guide d'ondes dans le plan du substrat et d'un miroir gravé à 45° qui redirige la lumière vers la direction normale du substrat17. (c) Interface fibre à puce. Pour un couplage efficace au grand champ de mode du SMF, les PWB sont conçus pour avoir une plus grande section transversale vers la facette de la fibre. La trajectoire 3D de forme libre des PWB est adaptée à la position exacte des interfaces correspondantes et remplace ainsi l'alignement actif de haute précision des puces. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
La nanoimpression tridimensionnelle (3-D) de guides d'ondes optiques de forme libre, également connue sous le nom de liaison par fil photonique, peut se coupler efficacement entre les puces photoniques pour simplifier considérablement l'assemblage du système optique. La forme et la trajectoire des liaisons filaires photoniques offrent un avantage clé en tant qu'alternative aux techniques d'assemblage optique conventionnelles qui reposent sur un alignement de haute précision techniquement complexe et coûteux. Dans une nouvelle étude maintenant publiée sur Nature :Lumière, Sciences et applications , Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah et une équipe de recherche en photonique, l'électronique quantique et la technologie des microstructures en Allemagne, moteurs de communication optique démontrés. Le dispositif s'appuyait sur la liaison filaire photonique pour connecter des réseaux de modulateurs photoniques en silicium à des lasers et des fibres monomodes. Ils ont conçu les liaisons filaires photoniques sur les puces en laboratoire en utilisant une lithographie 3D avancée pour connecter efficacement une variété de plates-formes d'intégration photonique. Les scientifiques ont simplifié l'assemblage de modules photoniques multi-étapes avancés pour transformer une variété d'applications allant des communications à haute vitesse au traitement de signal ultra-rapide, détection optique, et le traitement de l'information quantique.
L'intégration photonique est une méthode clé pour transformer une variété de technologies quantiques. La plupart des produits commerciaux sur le terrain reposent sur l'assemblage discret de puces photoniques qui nécessitent des éléments de couplage tels que des adaptateurs sur puce et des microlentilles encombrantes, ou rediriger les miroirs. L'assemblage de tels systèmes nécessite un alignement actif techniquement complexe, pour surveiller en permanence l'efficacité du couplage pendant le développement de l'appareil. Ces techniques sont classées comme des méthodes à coût élevé et à faible débit, et en conséquence, ils ont fait reculer tous les avantages de la production de masse à l'échelle d'une tranche de circuits intégrés photoniques (PIC). Dans cette étude, Blaicher et al. a combiné les performances et la flexibilité des systèmes conventionnels avec la compacité et l'évolutivité pour une intégration monolithique en utilisant des techniques avancées de nanofabrication additive. Pour concevoir des guides d'ondes polymères de forme libre sur des dispositifs photoniques, l'équipe s'est appuyée sur la lithographie à écriture directe à deux photons. La méthode est également connue sous le nom de liaison filaire photonique pour permettre un couplage optique très efficace dans un processus entièrement automatisé.
Évolutivité et stabilité des liaisons filaires photoniques. (a) Micrographie d'un champ de ponts PWB sur puce densément espacés reliant les extrémités effilées de guides d'ondes à bande SiP. Les PWB sont recouverts d'un revêtement protecteur à faible indice. L'échantillon a été soumis à 500 cycles de température de -40°C/+85°C en plus de 500 heures de test de chaleur humide à +85°C et 85% d'humidité relative. Aucun changement de transmission ni aucun changement physique tel qu'un délaminage du matériau de gainage de la puce SiP n'a été observé. (b) Essai de chaleur humide à long terme de PWB à 85 °C et 85 % d'humidité relative. Dans cet échantillon, la perte d'insertion moyenne s'élève à environ 2 dB - légèrement plus élevée que celle illustrée à la figure 2 du manuscrit principal. Cette perte reste stable sur l'ensemble des 3 500 h d'essais en chaleur humide. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
Au cours des expériences Blaicher et al. 100 liaisons filaires photoniques (PWB) à espacement dense. Les résultats expérimentaux ont servi de base à l'assemblage simplifié de systèmes photoniques multipuces avancés. Le module expérimental contenait plusieurs matrices photoniques basées sur différents systèmes de matériaux, notamment le phosphure d'indium (InP) ou le silicium sur isolant (SOI). Les étapes expérimentales de l'assemblage n'ont pas nécessité un alignement de haute précision et les scientifiques ont réalisé des connexions puce à puce et fibre à puce en utilisant des liaisons filaires photoniques 3D de forme libre. Avant de fabriquer des PWB, Blaicher et al. a détecté des marqueurs d'alignement sur puce à l'aide de techniques d'imagerie 3D et de vision par ordinateur. Après, ils ont utilisé la lithographie à deux photons pour fabriquer les PWB, permettant une résolution à l'échelle submicronique. L'équipe a placé des clips optiques côte à côte dans la configuration pour éviter les goulots d'étranglement thermiques pour une connexion thermique efficace. Le module multipuce hybride (MCM) reposait sur des connexions efficaces de la puce photonique au silicium (SiP) à la source lumineuse InP et à la fibre de transmission de sortie. L'équipe a réalisé les sources lumineuses sous forme de lasers à cavité horizontale à émission de surface (HCSEL) et lorsqu'ils ont combiné les PWB avec des microlentilles, ils pourraient faciliter les connexions optiques hors plan à la surface de la puce.
Fabrication automatisée et stabilité environnementale. (a) Réseau de structures de test PWB sur puce densément espacées. L'image au microscope électronique à balayage (MEB) représente un sous-ensemble d'un réseau de 100 PWB réalisé sur une puce de test photonique au silicium (SiP) dédiée. Les ponts PWB relient les extrémités effilées des guides d'ondes à bande SiP, séparés de 100 µm. L'imagerie 3D haute résolution associée à la vision par ordinateur est utilisée pour la détection automatisée du couplage optique avec une haute précision (meilleure que 100 nm) et permet une définition lithographique hautement reproductible des structures de forme libre. Les guides d'ondes sont finalement noyés dans un polymère à faible indice durcissable aux UV (non représenté), qui agit comme un revêtement protecteur et permet d'ajuster le contraste d'indice de réfraction. (b) Histogramme montrant les pertes d'insertion mesurées de 100 ponts PWB sur puce directement après la fabrication (bleu) ainsi qu'après les tests de cyclage de température, comprenant 120 (orange) et 225 (vert) cycles. La transmission indiquée comprend la perte de propagation dans le guide d'ondes polymère de forme libre des PWB ainsi que la perte globale des deux interfaces à double cône vers les guides d'ondes à bande SiP adjacents. Après fabrication, les ponts PWB présentent une perte d'insertion moyenne de 0,73 dB et un écart type de 0,15 dB, et la perte de la pire structure était de 1,2 dB. Ces chiffres ne sont pratiquement pas affectés par les cycles de température. Les formes légèrement différentes des histogrammes sont attribuées au fait que les échantillons ont dû être retirés de la configuration de mesure pour le cycle de température, conduisant à de petits changements dans l'efficacité du couplage fibre-puce. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
Dans la première expérience, en utilisant des puces de test fabriquées par lithographie UV profond, l'équipe a montré que les PWB fournissaient des connexions optiques à faible perte. Chaque puce de test contenait 100 structures de test pour séparer la perte PWB de la perte de couplage fibre-puce. La fabrication en laboratoire du PWB a été entièrement automatisée, prenant environ 30 secondes par connexion et le processus pourrait être encore accéléré. L'équipe a obtenu des résultats comparables en répliquant les expériences sur d'autres puces de test pour démontrer clairement l'excellente reproductibilité du processus. Les scientifiques ont ensuite exposé l'échantillon à plusieurs cycles de température variant de -40°C à 85°C pour prouver la fiabilité des structures dans des conditions environnementales techniquement pertinentes. Les échantillons n'ont pas subi de dégradation de performance ou de déformation au cours des expériences. Pour comprendre la capacité de traitement à haute puissance des structures PWB, ils ont soumis les échantillons à une irradiation laser continue à 1550 nm, avec des niveaux de puissance optique croissants. Les expériences ont montré la possibilité d'utiliser des PWB pour des performances élevées dans des environnements industriels pertinents et sous des niveaux de puissance réalistes.
Module émetteur (Tx) multi-puces à huit canaux combinant des réseaux laser InP et des réseaux modulateurs SiP. Le module est orienté vers la transmission dans les réseaux de centres de données et de campus avec des distances maximales de 10 km, en utilisant des techniques simples de modulation d'intensité et de détection directe. (a) Image au microscope optique de l'assemblage Tx réalisé selon le concept expérimental. Le réseau de modulateurs Mach-Zehnder (MZMs) est connecté à un réseau à base d'InP HCSEL ("Laser array") et à un réseau de fibres monomodes par des PWB (non visibles ici). Les pouvoirs de lancement, mesurée dans la fibre monomode pour une transmission maximale des modulateurs, sont suffisants pour la transmission sur des distances typiques des centres de données et des réseaux de campus, sans avoir besoin d'amplificateurs optiques. Les variations de puissance de lancement sont principalement attribuées à un couplage non idéal vers et depuis la puce SiP. Le canal 6* contient un séparateur 3 dB supplémentaire sur puce pour les tests, ce qui entraîne une perte supplémentaire. (b) Installation expérimentale pour des démonstrations de transmission utilisant différents formats et distances de modulation. Un générateur de forme d'onde arbitraire (AWG) est utilisé pour piloter les MZM. Dans la manifestation, les modulateurs sont actionnés séquentiellement via une sonde RF délivrant le signal de pilotage en entrée et une autre sonde RF pour fournir une terminaison 50 Ω en sortie. Le signal optique est envoyé jusqu'à 10 km de SMF standard et est détecté avec un photorécepteur qui contient un photodétecteur ainsi qu'un amplificateur de transimpédance à grande vitesse. Un oscilloscope en temps réel est utilisé pour capturer les signaux électriques pour un traitement ultérieur hors ligne. (c) Diagrammes oculaires pour la transmission sur diverses distances, avec différents formats de modulation et débits de symboles. Comme prévu par les puissances de lancement, Le canal 8 montre les yeux les plus grands ouverts, alors que le canal 6 est déformé par le bruit. d Taux d'erreur sur les bits (BER) estimés pour la transmission sur différentes distances, avec différents formats de modulation et débits de symboles. Pour toutes les expériences, le BER reste inférieur au seuil de 7% HD-FEC. Le débit de ligne du module agrégé s'élève à 448 Gbit/s. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
Pour ensuite démontrer la faisabilité technique de l'approche PWB, Blaicher et al. a réalisé un moteur d'émetteur (Tx) multipuce photonique à huit canaux fonctionnel qui combinait des réseaux laser à base d'InP et des réseaux de modulateurs SiP (puce photonique en silicium) pour moduler l'intensité. L'ensemble complet contenait deux rangées de quatre lasers à cavité horizontale émettant en surface, connecté via des PWB à un ensemble de modulations Mach Zehnder de type onde progressive. La démonstration était une preuve de principe, laissant place à l'optimisation.
Au cours de la deuxième série d'expériences, l'équipe a formé un module émetteur multi-étapes à quatre canaux pour une communication cohérente. Dans ce module, ils ont combiné une intégration hybride multi-puce contenant des PWB avec une intégration hybride sur puce de modulateurs électro-optiques, combiner les guides d'ondes à nanofils SiP avec des matériaux électro-optiques hautement efficaces. La configuration a abouti à des appareils très efficaces avec une faible consommation d'énergie.
Module émetteur cohérent à quatre canaux combinant des concepts d'intégration hybride au niveau de la puce et du boîtier. (a) Vue d'artiste du module multi-puces (MCM) composé de quatre sources lumineuses HCSEL à base d'InP, un réseau de quatre modulateurs hybrides silicium-organique (SOH), et quatre fibres de transmission, tous connectés par des liaisons filaires photoniques (PWB). L'empreinte globale du module Tx complet s'élève à 4 × 1,5 mm2. (b) Vue de dessus et coupe transversale d'un modulateur SOH Mach-Zehnder (MZM). Le matériau organique électro-optique (EO) (contour rouge) est micro-distribué après fabrication du PWB. Le MZM se compose de deux modulateurs de phase à guide d'onde à fente (WG), entraîné en mode push-pull par une seule ligne de transmission coplanaire en configuration sol-signal-sol (GSG). Dans les déphaseurs à guide d'onde à fente, la composante électrique dominante du mode optique quasi-TE présente un fort chevauchement avec le champ électrique du mode RF, résultant en une efficacité de modulation élevée32. (c) Montage expérimental. Chaque HCSEL alimente un modulateur IQ. Les signaux de commande électrique pour les modulateurs sont fournis par un générateur de forme d'onde arbitraire (AWG). Le signal optique est alors amplifié, envoyé à travers 75 km de SMF standard, et détecté par un récepteur cohérent. Un oscilloscope en temps réel capture le signal pour un traitement ultérieur hors ligne. (d) Diagrammes de constellation et taux d'erreur binaire (BER) mesurés associés pour la signalisation avec 16QAM à des débits de symboles de 28 God et 56 God. Les performances du canal 1 étaient altérées par une puissance de lancement inférieure, de sorte que seule la transmission QPSK pouvait être utilisée. Toutes les valeurs de BER restent inférieures au seuil de FEC de correction d'erreur directe à décision ferme avec un surdébit de codage de 7 %. Le débit de ligne cumulé du module s'élève à 784 Gbit/s. Crédit :Lumière :Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
De cette façon, Matthias Blaicher, Muhammed Rodlin Billah et ses collègues ont réalisé une nanofabrication en 3D de liaisons filaires photoniques (PWB) pour surmonter les limites existantes des approches d'intégration photonique hybride. 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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