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(diào)制器、光電探測器、光衰減器、光復(fù)用/解復(fù)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(fù)雜光學系統(tǒng)尺寸和成本的關(guān)鍵技術(shù)。集成光子學的應(yīng)用范圍很廣，包括數(shù)據(jù)與電信，激光雷達系統(tǒng)驅(qū)動的自動駕駛，移動感應(yīng)醫(yī)療設(shè)備等。光子集成電路還依靠關(guān)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(zhàn)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(shù)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(fā)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(shù)制造的耦合器實現(xiàn)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(nèi)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(nèi)實現(xiàn)低損耗和寬帶光纖的耦合。該設(shè)計結(jié)合了模式轉(zhuǎn)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(jié)果證明了通過3D微加工實現(xiàn)的可擴展耦合概念。

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

l 3D微加工實現(xiàn)光子封裝

在常規(guī)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(jié)省光子封裝過程中的設(shè)備成本和時間。

通過Nanoscribe的Photonic Professional GT系統(tǒng)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(lǐng)域中各種微納器件的廣泛開發(fā)，與之相應(yīng)的3D微納加工技術(shù)逐漸成為加工技術(shù)中的重要一環(huán)。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(shù)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(tǒng)的微納加工手段面臨巨大挑戰(zhàn)。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(shù)應(yīng)運而生。

      為落實《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》和《中國制造2025》等提出的任務(wù)，國家重點研發(fā)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(fā)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(yīng)用基礎(chǔ)研究。

根據(jù)指南建議“1.5微納結(jié)構(gòu)增材制造工藝與裝備(重大共性關(guān)鍵技術(shù)類)”：

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

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

根據(jù)指南建議“2.1飛秒激光精密制造應(yīng)用基礎(chǔ)研究(基礎(chǔ)前沿類)”：

      研究內(nèi)容：面向信息、新能源、交通、醫(yī)療等領(lǐng)域中的國家重大需求和國民經(jīng)濟主戰(zhàn)場中核心結(jié)構(gòu)關(guān)鍵制造挑戰(zhàn)，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(tǒng)，揭示加工中的調(diào)控規(guī)律;調(diào)控加工中的物理化學過程，發(fā)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(shù)瓶頸，開發(fā)飛秒激光制造裝備，解決相關(guān)制造挑戰(zhàn)，實現(xiàn)重大應(yīng)用。

考核指標：超快檢測系統(tǒng)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(guān)鍵制造難題并獲重要應(yīng)用：實現(xiàn)≥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(shù)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(xiàn)三維高精度加工》.

(責任編輯：admin)

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