[論文レビュー] In-Situ 3D Nano-Printing of Freeform Coupling Elements for Hybrid Photonic Integration

Philipp‐Immanuel Dietrich, Matthias Blaicher+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Photonic and Optical Devices参考文献 35被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、光学素子の面に直接自由形状のビーム整形結合素子を3次元ナノ印刷することで、相違するフォトニクスプラットフォーム間の効率的なモードマッチングを実現するイン・サイト3次元ナノ印刷技術を提案する。この手法により、インジウムホスファイト（InP）レーザーと光ファイバ間で最大88％の結合効率を達成するとともに、アライメント許容誤差を緩和し、ハイブリッドフォトニクスシステムのスケーラブルで低コストなパassiveアセンブリを可能にする。

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.

研究の動機と目的

• ハイブリッドフォトニクス統合における高精度アライメントとモードプロファイルの不一致の課題を克服すること。
• アクティブアライメントへの依存を低減することで、マルチチップフォトニクスシステムのスケーラブルでコスト効率の良いアセンブリを可能にすること。
• 多様な光学素子やモードプロファイルに適応可能な柔軟なプロセスを開発すること。
• イン・サイトナノ印刷を用いた複雑な自由形状光学素子の作成の実現可能性を実証すること。

提案手法

• 高精度な増加製造プロセスを用いて、インジウムホスファイト（InP）レーザーや光ファイバを含む光学素子の面に直接イン・サイト3次元ナノ印刷を実施する。
• 相違するプラットフォーム間で著しく異なる光学モードプロファイルに合わせて、自由形状のビーム整形素子を設計する。
• 印刷プロセスをアセンブリワークフローに統合し、部品の幾何形状やモード特性に応じたリアルタイムな適応が可能である。
• ビーム整形や方向制御に適した、ミラー、レンズ、マルチレンズシステムなどの複雑な光学素子の製造を可能にする。
• 適切に設計された光学素子によってミスアライメントを補償することで、パassiveアライメントを実現する。
• リソグラフィーと増加プロセスを組み合わせることで、印刷部品におけるサブミクロン分解能と高い構造忠実度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イン・サイト3次元ナノ印刷は、相違するフォトニクスプラットフォーム間のモードプロファイル不一致を効果的に補償できるか？
• RQ2 ハイブリッドフォトニクスアセンブリにおいて、印刷された自由形状光学素子を用いることで、どの程度アライメント許容誤差を緩和できるか？
• RQ3 印刷されたビーム整形素子を用いて、インジウムホスファイト（InP）レーザーと標準光ファイバ間で達成可能な最大結合効率は何か？
• RQ4 印刷された自由形状ミラーは、ハイブリッドフォトニクスシステムにおいて、同時にビーム形状と伝搬方向を制御できるか？
• RQ5 イン・サイトナノ印刷手法はスケーラブルであり、標準フォトニクス統合ワークフローと互換性があるか？

主な発見

• インジウムホスファイト（InP）レーザーと標準光ファイバ間で最大88％の結合効率を達成し、モードマッチングにおいて優れた性能を示した。
• 自由形状ミラーが正常に印刷され、同時にビーム形状の適応と伝搬方向の制御が可能となり、複雑なビーム操作が実現した。
• ビーム拡張用にマルチレンズシステムが実装され、本手法が複雑な光学機能を実現できる能力を示した。
• アライメント許容誤差が顕著に緩和され、スケーラブルで低コストなパassiveアセンブリ技術の使用が可能になった。
• イン・サイト印刷プロセスは、チップおよびファイバの面の両方で実験的に妥当性が確認され、異なる部品タイプへの汎用性が裏付けられた。
• 本手法により、性能向上と設計の柔軟性を備えた、自動化・高精度なハイブリッドフォトニクスアセンブリの製造が可能になった。