[논문 리뷰] In-Situ 3D Nano-Printing of Freeform Coupling Elements for Hybrid Photonic Integration

Philipp‐Immanuel Dietrich, Matthias Blaicher외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 29.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 35인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 자유형 비틀림 형상 결합 요소를 광학 부품 표면에 직접 현장에서 3차원 나노프린팅하는 기술을 제시한다. 이는 상이한 포토닉 플랫폼 간의 효율적인 모드 매칭을 가능하게 하며, 인가르 프로세서(AlGaInAs) 레이저와 광섬유 간에 최대 88%의 결합 효율을 달성하면서 정렬 허용 오차를 완화시킨다. 이는 하이브리드 포토닉 시스템의 스케일러블하고 저비용의 수동 조립을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Hybrid photonic integration exploits complementary strengths of different material platforms, thereby offering superior performance and design flexibility in comparison to monolithic approaches. This applies in particular to multi-chip concepts, where components can be individually optimized and tested on separate dies before integration into more complex systems. The assembly of such systems, however, still represents a major challenge, requiring complex and expensive processes for high-precision alignment as well as careful adaptation of optical mode profiles. Here we show that these challenges can be overcome by in-situ nano-printing of freeform beam-shaping elements to facets of optical components. The approach is applicable to a wide variety of devices and assembly concepts and allows adaptation of vastly dissimilar mode profiles while considerably relaxing alignment tolerances to the extent that scalable, cost-effective passive assembly techniques can be used. We experimentally prove the viability of the concept by fabricating and testing a selection of beam-shaping elements at chip and fiber facets, achieving coupling efficiencies of up to 88 % between an InP laser and an optical fiber. We also demonstrate printed freeform mirrors for simultaneously adapting beam shape and propagation direction, and we explore multi-lens systems for beam expansion. The concept paves the way to automated fabrication of photonic multi-chip assemblies with unprecedented performance and versatility.

연구 동기 및 목표

• 하이브리드 포토닉 통합에서 고정밀 정렬과 모드 프로파일 불일치 문제를 해결하기 위해.
• 활성 정렬에 의존도를 줄임으로써 다중 칩 포토닉 시스템의 스케일러블하고 저비용의 조립을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 광학 부품과 모드 프로파일에 적응할 수 있는 유연한 제조 방법을 개발하기 위해.
• 칩과 섬유 표면에 복잡한 자유형 광학 요소를 제작하기 위한 현장 나노프린팅의 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 고정밀 적층 제조 공정을 사용하여 인가르 프로세서(AlGaInAs) 레이저와 광섬유를 포함한 광학 부품 표면에 직접 현장에서 3차원 나노프린팅을 수행한다.
• 서로 다른 플랫폼 간에 극명하게 다른 광학 모드 프로파일을 매칭하기 위해 자유형 비틀림 형상 요소를 설계한다.
• 조립 워크플로우에 인쇄 공정을 통합하여 부품 기하학적 형태와 모드 특성에 실시간으로 적응할 수 있도록 한다.
• 렌즈, 거울, 다중 렌즈 시스템과 같은 복잡한 광학 요소를 제작할 수 있으며, 비틀림 형상 제어 및 방향 조절에 활용된다.
• 맞춤형 광학 요소 설계를 통해 이물질 정렬을 보완함으로써 수동 정렬을 가능하게 한다.
• 리소그래피 및 적층 공정을 융합하여 인쇄된 구성 요소에서 1미크론 이하의 해상도와 높은 구조 정밀도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현장에서의 3차원 나노프린팅이 상이한 포토닉 플랫폼 간의 모드 프로파일 불일치를 효과적으로 보완할 수 있는가?
• RQ2 하이브리드 포토닉 조립에서 인쇄된 자유형 광학 요소를 통해 정렬 허용 오차를 어느 정도 완화할 수 있는가?
• RQ3 인가르 프로세서(AlGaInAs) 레이저와 표준 광섬유 간에 인쇄된 비틀림 형상 요소를 사용할 때 도달 가능한 최대 결합 효율은 얼마인가?
• RQ4 인쇄된 자유형 거울이 하이브리드 포토닉 시스템에서 동시에 비틀림 형상과 전파 방향을 제어할 수 있는가?
• RQ5 현장에서의 나노프린팅 기술은 스케일러블하고 표준 포토닉 통합 워크플로우와 호환되는가?

주요 결과

• 인가르 프로세서(AlGaInAs) 레이저와 표준 광섬유 간에 최대 88%의 결합 효율을 달성하여 모드 매칭에서 높은 성능을 입증하였다.
• 자유형 비틀림 거울을 성공적으로 인쇄하여 비틀림 형상 조절과 전파 방향 제어를 동시에 가능하게 하여 복잡한 비틀림 제어를 실현하였다.
• 빔 확산을 위한 다중 렌즈 시스템을 제작하여 이 방법이 복잡한 광학 기능을 생성할 수 있음을 입증하였다.
• 정렬 허용 오차를 크게 완화하여 스케일러블하고 저비용의 수동 조립 기술의 적용을 가능하게 하였다.
• 칩과 섬유 표면에 모두 실험적으로 현장 인쇄 공정을 검증하여 다양한 부품 유형에 걸쳐 유연성을 확인하였다.
• 자동화되고 고정밀한 하이브리드 포토닉 조립의 제조가 가능해졌으며, 성능 향상과 설계의 유연성이 향상되었다.