光子集成電路 (Photonic Integrated Circuit，PIC) 與電子集成電路類似，但不同的是電子集成電路集成的是晶體管、電容器、電阻器等電子器件，而光子集成電路集成的是各種不同的光學器件或光電器件，比如激光器、電光調制器、光電探測器、光衰減器、光復用/解復用器以及光放大器等。

      特別是由于光子組件的小型化趨勢，光子集成電路是減少復雜光學系統尺寸和成本的關鍵技術。集成光子學的應用范圍很廣，包括數據與電信，激光雷達系統驅動的自動駕駛，移動感應醫療設備等。光子集成電路還依靠關鍵接口進行連接，例如將芯片連接到光纖，從而提高集成度和功能性。但接口的制造具有挑戰性，并且在對準、效率和帶寬方面存在困難。為了解決這些問題，明斯特大學物理學院，CeNTech納米技術中心，馬克斯·伯恩研究所和柏林洪堡大學的多學科團隊開發了寬帶光纖耦合概念，該概念是通過由Nanoscribe 微納米3D打印技術制造的耦合器實現的。

附著在納米光子電路上的自由形式3D耦合器。圖片：Nanoscribe / 明斯特大學

 光子集成電路上進行直接打印

l 3D打印耦合器將芯片連接到光纖

       這些3D耦合器基于全內反射進行操作，并且是直接在光子集成電路上進行3D打印的。這種新穎的方法旨在在可見光波長范圍內實現低損耗和寬帶光纖的耦合。該設計結合了模式轉換器，全反射平面和一個球體，球體可以充當透鏡，作用是將光束聚焦到光纖端面上。這項研究的結果證明了通過3D微加工實現的可擴展耦合概念。

具有在全內反射上進行3D打印的自由形式耦合器的光譜設備，用于寬帶光纖耦合。
圖片：Nanoscribe / 明斯特大學

l 3D微加工實現光子封裝

在常規方法中，在一個微芯片上組裝各種光子和光學組件，需要幾個步驟。而使用3D微加工，可以直接在光子集成電路上打印高精度甚至是自由形式的微零件。打印過程不需要任何進一步的組裝、對準、拾取和放置或固定步驟。因此，3D打印可以節省光子封裝過程中的設備成本和時間。

通過Nanoscribe的Photonic Professional GT系統3D打印并連接到氮化硅波導的自由形式3D光纖耦合器掃描電鏡圖。
圖片：Nanoscribe / 明斯特大學

Review

      近年來，隨著光學、光化學、光電子、納米光子和仿生等領域中各種微納器件的廣泛開發，與之相應的3D微納加工技術逐漸成為加工技術中的重要一環。為了最大限度地使材料功能化并提升器件效率，3D微納加工對加工技術的精度、維度、尺度和速度等均有較高的要求，這些要求使傳統的微納加工手段面臨巨大挑戰。為了滿足高精度、高效率的3D微納加工需求，3D飛秒激光納米打印技術應運而生。

      為落實《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》和《中國制造2025》等提出的任務，國家重點研發計劃啟動實施“增材制造與激光制造”重點專項。在我國科技部發布的《“增材制造與激光制造”重點專項 2018年度項目申報指南建議》中，包含了微納增材制造工藝與飛秒激光精密制造應用基礎研究。

根據指南建議“1.5微納結構增材制造工藝與裝備(重大共性關鍵技術類)”：

       研究內容：研究復雜三維微納結構增材制造新原理和新工藝，研發與微納結構增材制造工藝匹配的成形材料體系，實現功能化的微納結構與宏觀結構同步制造，開發微納增材制造裝備樣機;以微機電系統、傳感器、微納光學，精密醫療器件等為應用對象，開展器件制造應用實驗，形成具有重大應用前景的新型功能器件原型，實現具有微納特征的三維結構與功能一體化制造。

考核指標：層厚精度優于2μm，表面粗糙度Ra優于300nm;制造范圍不小于100×100×50mm;實驗應用器件不少于5類;形成材料、工藝、裝備等規范或標準。

根據指南建議“2.1飛秒激光精密制造應用基礎研究(基礎前沿類)”：

      研究內容：面向信息、新能源、交通、醫療等領域中的國家重大需求和國民經濟主戰場中核心結構關鍵制造挑戰，搭建飛秒激光與材料相互作用的亞飛秒時間分辨率檢測系統，揭示加工中的調控規律;調控加工中的物理化學過程，發展飛秒激光共振吸收等微納加工新方法;解決高深徑比微孔、高保真集成量子門、新型高溫振動傳感器等制造技術瓶頸，開發飛秒激光制造裝備，解決相關制造挑戰，實現重大應用。

考核指標：超快檢測系統時間分辨率<0.2fs;研制飛秒激光制造裝備1套;解決不少于2項國家重大工程中關鍵制造難題并獲重要應用：實現≥300:1深徑比微孔(以直徑小于2μm考核)、3-5比特集成量子邏輯門的制備等。

參考資料：

1. Nanoscribe. “3D-Printed Fiber-to-Chip Couplers for Integrated Photonics” ;

2. 中華人民共和國科學技術部.《“增材制造與激光制造”重點專項 2018年度項目申報指南建議》；

3. 知乎.《3D飛秒激光納米打印，“3高”特點實現三維高精度加工》.

(責任編輯：admin)

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