[论文解读] Free-form micro-optics enabling ultra-broadband low-loss fiber-to-chip coupling

Shaoliang Yu, Luigi Ranno+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2021

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本文提出一种自由形式反射式微光学方法，实现超宽带、低损耗的光纤到芯片耦合，1550 nm 处损耗仅为 0.5 dB，1-dB 带宽创下 300 nm 的记录，覆盖 O 至 U 波段。该方法采用简化的双仿真优化框架，设计高性能反射式微光学元件，实现高对准容差和回流焊兼容性，适用于可扩展的光子封装。

ABSTRACT

Efficient fiber-to-chip coupling has been a major hurdle to cost-effective packaging and scalable interconnections of photonic integrated circuits. Conventional photonic packaging methods relying on edge or grating coupling are constrained by high insertion losses, limited bandwidth density, narrow band operation, and sensitivity to misalignment. Here we present a new fiber-to-chip coupling scheme based on free-form reflective micro-optics. A design approach which simplifies the high-dimensional free-form optimization problem to as few as two full-wave simulations is implemented to empower computationally efficient design of high-performance free-form reflectors while capitalizing on the expanded geometric degrees of freedom. We demonstrated fiber array coupling to waveguides taped out through a standard foundry shuttle run and backend integrated with 3-D printed micro-optics. A low coupling loss down to 0.5 dB was experimentally measured at 1550 nm wavelength with a record 1-dB bandwidth of 300 nm spanning O to U bands. The coupling scheme further affords large alignment tolerance, high bandwidth density and solder reflow compatibility, qualifying it as a promising optical packaging solution for applications such as wavelength division multiplexing communications, broadband spectroscopic sensing, and nonlinear optical signal processing.

研究动机与目标

• 为克服传统端面耦合和光栅耦合在光子集成电路中的局限性，如插入损耗高、带宽窄。
• 开发一种可扩展、低损耗的光纤到芯片耦合解决方案，兼容标准代工厂工艺和大批量封装。
• 在保持低损耗和高对准容差的同时，实现从 O 波段到 U 波段的超宽带工作。
• 展示一种计算高效的复杂自由形式反射式微光学设计方法。

提出的方法

• 采用双仿真优化框架，简化高维自由形式设计问题，降低计算成本，同时保持性能。
• 通过 3D 打印工艺制造自由形式反射式微光学元件，并在标准代工厂工艺之后的后端工艺中与波导集成。
• 利用扩展的几何自由度，对波前进行整形，实现光纤与芯片波导之间的最佳模式匹配。
• 精确控制光束发散角和相位分布，以在宽光谱范围内最小化耦合损耗。
• 所制造的系统采用光纤阵列通过 3D 打印微光学耦合至波导阵列，经实验测试验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 自由形式反射式微光学能否突破传统端面耦合和光栅耦合的局限，实现超宽带、低损耗的光纤到芯片耦合？
• RQ2 如何在无需大量全波仿真的情况下，高效优化自由形式光学的高维设计空间？
• RQ3 采用 3D 打印的自由形式微光学的光纤到芯片耦合方案可实现的带宽和损耗性能如何？
• RQ4 所提出的耦合方案对对准误差的容忍度如何，能否经受回流焊工艺？

主要发现

• 在 1550 nm 处实验测得最低 0.5 dB 的耦合损耗，证明了光纤到芯片耦合的高效率。
• 系统实现了创纪录的 300 nm 1-dB 带宽，覆盖 O 波段（1260–1360 nm）至 U 波段（1570–1625 nm）。
• 该耦合方案具有较大的对准容差，适用于大批量、低成本封装。
• 该设计与回流焊工艺兼容，可实现与标准电子封装流程的集成。