Ideazione e implementazione di moduli multi-chip ibridi (MCM) mediante nanostampa 3D di legami a filo fotonico (PWB). (a) Illustrazione di un trasmettitore a otto canali, realizzato come MCM ibrido che comprende PWB stampati in 3D mostrati in rosso. I PWB consentono connessioni efficienti tra circuiti integrati fotonici (PIC) realizzati su diverse piattaforme di integrazione, combinando così le forze complementari del sistema materiale sottostante. Il trasmettitore illustrato combina efficienti laser InP con modulatori elettro-ottici su un chip fotonico di silicio. L'array del modulatore è azionato elettricamente tramite un fan-in RF e collegato a un array di fibre monomodali. (b) Interfaccia tra un chip laser InP e il chip trasmettitore fotonico al silicio. La sorgente luminosa è realizzata come un laser ad emissione superficiale a cavità orizzontale (HCSEL), costituito da una cavità ottica basata su guida d'onda nel piano del substrato e uno specchio inciso a 45° che reindirizza la luce verso la direzione normale del substrato17. (c) Interfaccia fibra-chip. Per un accoppiamento efficiente al grande campo modale dell'SMF, i PWB sono progettati per avere una sezione trasversale maggiore verso la sfaccettatura della fibra. La traiettoria 3D a forma libera dei PWB è adattata alla posizione esatta delle interfacce corrispondenti e quindi sostituisce l'allineamento attivo ad alta precisione dei chip. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
La nanostampa tridimensionale (3D) di guide d'onda ottiche a forma libera, nota anche come incollaggio di fili fotonici, può accoppiarsi in modo efficiente tra chip fotonici per semplificare notevolmente l'assemblaggio del sistema ottico. La forma e la traiettoria dei legami dei fili fotonici offre un vantaggio chiave come alternativa alle tecniche di assemblaggio ottico convenzionali che si basano su un allineamento ad alta precisione tecnicamente complesso e costoso. In un nuovo studio ora pubblicato su Natura:Luce, Scienza e applicazioni , Mattia Blaicher, Muhammed Rodlin Billah e un gruppo di ricerca in fotonica, elettronica quantistica e tecnologia delle microstrutture in Germania, motori di comunicazione ottica dimostrati. Il dispositivo si basava sull'incollaggio di fili fotonici per collegare array di modulatori fotonici al silicio a laser e fibre monomodali. Hanno progettato i legami del filo fotonico sui chip in laboratorio utilizzando una litografia 3D avanzata per collegare in modo efficiente una varietà di piattaforme di integrazione fotonica. Gli scienziati hanno semplificato l'assemblaggio di moduli fotonici multistep avanzati per trasformare una varietà di applicazioni che vanno dalle comunicazioni ad alta velocità all'elaborazione del segnale ultraveloce, rilevamento ottico, e l'elaborazione quantistica dell'informazione.
L'integrazione fotonica è un metodo chiave per trasformare una varietà di tecnologie quantistiche. La maggior parte dei prodotti commerciali nel campo si basano sull'assemblaggio discreto di chip fotonici che richiedono elementi di accoppiamento come adattatori su chip e microlenti ingombranti, o reindirizzare i mirror. L'assemblaggio di tali sistemi richiede un allineamento attivo tecnicamente complesso, monitorare continuamente l'efficienza dell'accoppiamento durante lo sviluppo del dispositivo. Tali tecniche sono classificate come metodi ad alto costo e basso rendimento, e di conseguenza hanno annullato tutti i vantaggi della produzione di massa su scala wafer di circuiti integrati fotonici (PIC). In questo studio, Blacher et al. ha combinato le prestazioni e la flessibilità dei sistemi convenzionali con la compattezza e la scalabilità per l'integrazione monolitica utilizzando tecniche avanzate di nanofabbricazione additiva. Per progettare guide d'onda polimeriche a forma libera su dispositivi fotonici, il team si è affidato alla litografia a scrittura diretta con due fotoni. Il metodo è anche noto come collegamento a filo fotonico per consentire un accoppiamento ottico altamente efficiente in un processo completamente automatizzato.
Scalabilità e stabilità dei legami dei fili fotonici. (a) Micrografia di un campo di ponti PWB su chip densamente distanziati che collegano le estremità rastremate verso il basso delle guide d'onda a striscia SiP. I PWB sono ricoperti da un rivestimento protettivo a basso indice. Il campione è stato sottoposto a 500 cicli di temperatura di -40°C/+85°C oltre a 500 ore di test di calore umido a +85°C e 85% di umidità relativa. Non è stato osservato alcun cambiamento nella trasmissione né alcun cambiamento fisico come la delaminazione del materiale di rivestimento dal chip SiP. (b) Prova umido-calore a lungo termine di PWB a 85 °C e 85 % di umidità relativa. In questo campione, la perdita di inserzione media è di circa 2 dB, leggermente superiore a quella mostrata in Fig. 2 del manoscritto principale. Questa perdita rimane stabile per tutte le 3500 h di prove umido-caldo. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
Durante gli esperimenti Blaicher et al. 100 legami fotonici (PWB) densamente distanziati. I risultati sperimentali hanno costituito la base per l'assemblaggio semplificato di sistemi multi-chip fotonici avanzati. Il modulo sperimentale conteneva più die fotoniche basate su diversi sistemi di materiali tra cui fosfuro di indio (InP) o silicio su isolante (SOI). Le fasi sperimentali dell'assemblaggio non hanno richiesto un allineamento ad alta precisione e gli scienziati hanno ottenuto connessioni chip-to-chip e fibra-chip utilizzando legami di fili fotonici 3D a forma libera. Prima di fabbricare PWB, Blacher et al. ha rilevato marcatori di allineamento su chip utilizzando tecniche di imaging 3D e di visione artificiale. Successivamente, hanno usato la litografia a due fotoni per fabbricare i PWB, consentendo una risoluzione su scala inferiore al micron. Il team ha posizionato le clip ottiche fianco a fianco nella configurazione per evitare colli di bottiglia termici per una connessione termica efficiente. Il modulo multichip ibrido (MCM) si basava su connessioni efficienti del chip fotonico di silicio (SiP) alla sorgente di luce InP e alla fibra di trasmissione in uscita. Il team ha realizzato le sorgenti luminose come laser a emissione superficiale a cavità orizzontale (HCSEL) e quando hanno combinato i PWB con microlenti, potrebbero facilitare le connessioni ottiche fuori dal piano alla superficie del chip.
Fabbricazione automatizzata e stabilità ambientale. (a) Array di strutture di test PWB su chip densamente distanziate. L'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) raffigura un sottoinsieme di un array di 100 PWB realizzati su un chip di test SiP (Silicon Photonic) dedicato. I ponti PWB collegano le estremità rastremate delle guide d'onda a striscia SiP, separati da 100µm. L'imaging 3D ad alta risoluzione in combinazione con la computer vision viene utilizzato per il rilevamento automatico dell'accoppiamento ottico con elevata precisione (migliore di 100 nm) e consente una definizione litografica altamente riproducibile delle strutture a forma libera. Le guide d'onda sono infine incorporate in un polimero a basso indice induribile con UV (non mostrato), che funge da rivestimento protettivo e consente la regolazione del contrasto dell'indice di rifrazione. (b) Istogramma che mostra le perdite di inserzione misurate di 100 ponti PWB su chip direttamente dopo la fabbricazione (blu) e dopo i test di temperatura ciclica, composto da 120 (arancione) e 225 (verde) cicli. La trasmissione indicata comprende la perdita di propagazione nella guida d'onda polimerica a forma libera dei PWB nonché la perdita complessiva di entrambe le interfacce a doppia conicità alle guide d'onda a striscia SiP adiacenti. Dopo la fabbricazione, i ponti PWB mostrano una perdita di inserzione media di 0,73 dB e una deviazione standard di 0,15 dB, e la perdita della struttura peggiore era di 1.2 dB. Queste cifre non sono sostanzialmente influenzate dai cicli di temperatura. Le forme leggermente diverse degli istogrammi sono attribuite al fatto che i campioni dovevano essere rimossi dall'impostazione di misurazione per i cicli di temperatura, portando a piccoli cambiamenti nell'efficienza di accoppiamento fibra-chip. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
Nel primo esperimento, utilizzando chip di prova fabbricati tramite litografia UV profonda, il team ha dimostrato che i PWB fornivano connessioni ottiche a bassa perdita. Ciascun chip di test conteneva 100 strutture di test per separare la perdita PWB dalla perdita di accoppiamento fibra-chip. La fabbricazione in laboratorio di PWB è stata completamente automatizzata, impiegando circa 30 secondi per connessione e il processo potrebbe essere ulteriormente accelerato. Il team ha ottenuto risultati comparabili replicando gli esperimenti su altri chip di prova per dimostrare chiaramente l'eccellente riproducibilità del processo. Gli scienziati hanno quindi esposto il campione a più cicli di temperatura che variano da -40°C a 85°C per dimostrare l'affidabilità delle strutture in condizioni ambientali tecnicamente rilevanti. I campioni non hanno subito un degrado o deformazione delle prestazioni durante gli esperimenti. Per comprendere la capacità di gestione ad alta potenza delle strutture PWB, hanno sottoposto i campioni a irradiazione laser continua a 1550 nm, con livelli di potenza ottica crescenti. Gli esperimenti hanno mostrato la possibilità di utilizzare i PWB per prestazioni elevate in ambienti di rilevanza industriale e con livelli di potenza realistici.
Modulo trasmettitore multi-chip (Tx) a otto canali che combina array laser InP e array modulatori SiP. Il modulo è orientato alla trasmissione in reti di data center e campus area con distanze massime di 10 km, utilizzando semplici tecniche di modulazione dell'intensità e di rilevamento diretto. (a) Immagine al microscopio ottico dell'assieme Tx realizzato secondo il concetto sperimentale. L'array di modulatori Mach-Zehnder (MZM) è collegato a un array HCSEL basato su InP ("Laser array") e a un array di fibre monomodali tramite PWB (non visibile qui). I poteri di lancio, misurata nella fibra monomodale per la massima trasmissione dei modulatori, sono sufficienti per la trasmissione su distanze tipiche delle reti di data center e campus-area, senza bisogno di amplificatori ottici. Le variazioni della potenza di lancio sono principalmente attribuite all'accoppiamento non ideale da e verso il chip SiP. Il canale 6* contiene uno splitter aggiuntivo da 3 dB su chip per i test, che porta a ulteriori perdite. (b) Configurazione sperimentale per dimostrazioni di trasmissione utilizzando diversi formati di modulazione e distanze. Un generatore di forme d'onda arbitrarie (AWG) viene utilizzato per pilotare gli MZM. Nella manifestazione, i modulatori vengono azionati in sequenza tramite una sonda RF che fornisce il segnale di pilotaggio in ingresso e un'altra sonda RF per fornire una terminazione a 50 in uscita. Il segnale ottico viene inviato fino a 10 km di SMF standard e viene rilevato con un fotoricevitore che contiene un fotorivelatore insieme a un amplificatore a transimpedenza ad alta velocità. Un oscilloscopio in tempo reale viene utilizzato per acquisire i segnali elettrici per la successiva elaborazione offline. (c) Diagrammi ad occhio per la trasmissione su varie distanze, con diversi formati di modulazione e symbol rate. Come previsto dai poteri di lancio, Il canale 8 mostra gli occhi più aperti, mentre il canale 6 è distorto dal rumore. d Rapporti di errore di bit stimati (BER) per la trasmissione su varie distanze, con diversi formati di modulazione e symbol rate. Per tutti gli esperimenti, il BER rimane al di sotto della soglia HD-FEC del 7%. Il line rate aggregato del modulo ammonta a 448 Gbit/s. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
Per poi dimostrare la fattibilità tecnica dell'approccio PWB, Blacher et al. realizzato un motore di trasmettitore multi-chip fotonico funzionale a otto canali (Tx) che combinava array laser basati su InP e array di modulatori SiP (chip fotonico di silicio) per modulare l'intensità. L'insieme completo conteneva due schiere di quattro laser ad emissione superficiale di cavità orizzontali, collegato tramite PWB a una serie di modulazioni Mach Zehnder del tipo a esaurimento delle onde viaggianti. La dimostrazione è stata una prova di principio, lasciando spazio all'ottimizzazione.
Durante la seconda serie di esperimenti, il team ha formato un modulo trasmettitore multifase a quattro canali per una comunicazione coerente. In questo modulo, hanno combinato l'integrazione multi-chip ibrida contenente PWB con l'integrazione ibrida su chip di modulatori elettro-ottici, per combinare le guide d'onda nanowire SiP con materiali elettro-ottici altamente efficienti. La configurazione ha portato a dispositivi altamente efficienti con un basso consumo energetico.
Modulo trasmettitore coerente a quattro canali che combina concetti di integrazione ibrida a livello di chip e pacchetto. (a) Rappresentazione artistica del modulo multi-chip (MCM) costituito da quattro sorgenti luminose HCSEL basate su InP, una serie di quattro modulatori ibridi silicio-organico (SOH), e quattro fibre di trasmissione, tutti collegati da legami di filo fotonico (PWB). L'ingombro complessivo del modulo Tx completo è di 4 × 1.5 mm2. (b) Vista dall'alto e sezione trasversale di un modulatore SOH Mach-Zehnder (MZM). Il materiale elettro-ottico organico (EO) (contorno rosso) viene micro-dosato dopo la fabbricazione del PWB. L'MZM è costituito da due modulatori di fase a guida d'onda (WG), pilotato in modalità push-pull da una singola linea di trasmissione complanare in configurazione ground-signal-ground (GSG). All'interno degli sfasatori slot-guida d'onda, la componente elettrica dominante della modalità ottica quasi-TE mostra una forte sovrapposizione con il campo elettrico in modalità RF, con conseguente elevata efficienza di modulazione32. (c) Configurazione sperimentale. Ogni HCSEL alimenta un modulatore IQ. I segnali di pilotaggio elettrico per i modulatori sono forniti da un generatore di forme d'onda arbitrarie (AWG). Il segnale ottico viene quindi amplificato, inviato attraverso 75 km di SMF standard, e rilevato da un ricevitore coerente. Un oscilloscopio in tempo reale acquisisce il segnale per la successiva elaborazione offline. (d) Diagrammi di costellazione e rapporti di errore di bit misurati associati (BER) per la segnalazione con 16QAM a velocità di simbolo di 28 GBd e 56 GBd. Le prestazioni del Canale 1 sono state compromesse dalla minore potenza di lancio in modo tale che solo la trasmissione QPSK potesse essere utilizzata. Tutti i valori BER rimangono al di sotto della soglia per la correzione degli errori di inoltro delle decisioni difficili FEC con un sovraccarico di codifica del 7%. Il line rate aggregato del modulo è pari a 784 Gbit/s. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:10.1038/s41377-020-0272-5
In questo modo, Mattia Blaicher, Muhammed Rodlin Billah e colleghi hanno condotto la nanofabbricazione 3-D di legami a filo fotonico (PWB) per superare i limiti esistenti degli approcci di integrazione fotonica ibrida. 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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