3D microstructures for introducing radiation into photonic integrated circuits

D. А. Kolymagin; Колымагин Д. А.; A. I. Prokhodtsov; Проходцов А. И.; D. А. Chubich; Чубич Д. А.; R. P. Matital; Матитал Р. П.; A. V. Kazantseva; Казанцева А. В.; D. P. Emelyanov; Емельянов Д. П.; V. V. Kovalyuk; Ковалюк В. В.; A. G. Vitukhnovsky; Витухновский А. Г.; G. N. Goltsman; Гольцман Г. Н.

doi:10.31857/S0367676524120254

3D microstructures for introducing radiation into photonic integrated circuits

Авторлар: Kolymagin D.А.¹, Prokhodtsov A.I.¹^,2, Chubich D.А.¹, Matital R.P.¹, Kazantseva A.V.¹, Emelyanov D.P.¹, Kovalyuk V.V.²^,3, Vitukhnovsky A.G.¹^,4, Goltsman G.N.³^,5
Мекемелер:
1. Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)
2. National University of Science and Technology MISIS
3. HSE University
4. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences
5. Russian Quantum Center
Шығарылым: Том 88, № 12 (2024)
Беттер: 2005-2010
Бөлім: Nanooptics, photonics and coherent spectroscopy
URL: https://medbiosci.ru/0367-6765/article/view/286569
DOI: https://doi.org/10.31857/S0367676524120254
EDN: https://elibrary.ru/EUKZUT
ID: 286569

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация
Толық мәтін
Авторлар туралы
Әдебиет тізімі
Қосымша файлдар
Статистика

Аннотация

One of the ways to implement high-performance data transmission and processing systems is photonic integrated circuits with improved optical input. The work examines the spectral dependences of 3D microstructures created by two-photon polymerization for inputting radiation in the range from 1480 to 1640 nm into photonic integrated circuits and makes a comparison with diffraction gratings.

Негізгі сөздер

two-photon photopolymerization, direct (3+1) D laser writing, photonic integrated circuits, couplers, 3D microstructures

Толық мәтін

Введение

Оптические технологии и развитие фотонных интегральных схем (ФИС-PIC) произвели революцию в области создания недорогих и высокопроизводительные компонент для устройств передачи и обработки больших объемов данных [1, 2] и манипулирования микрочастицами на микроскопических масштабах [3]. Несмотря на все преимущества, совместимость ФИС с оптоволоконными компонентами все еще относительно ограничена. Данные ограничения в основном являются результатом большого несоответствия размеров оптических волокон и планарных фотонных волноводов. Из-за этого ввод и вывод излучения в ФИС с большой эффективностью по-прежнему остается актуальной проблемой. Для решения этой проблемы обычно применяется один из двух типов соединения: «торцевое» соединение, при котором оптоволокна соединяются с волноводами ФИС с торцевой стороны чипа [4], и «вертикальное» соединение, при котором излучение падает почти перпендикулярно поверхности ФИС и с помощью специальной структуры перенаправляется в волновод ФИС [5]. При «торцевом» соединении требуется реализация прецизионного совмещения оптоволокон и торцов волноводов ФИС, чтобы обеспечить высокую эффективность соединения. «Вертикальное» соединение, как правило, обладает менее строгими ограничениями по точности совмещения, но может накладывать существенные ограничения на тип падающего излучения. Наиболее распространенной реализацией такого соединения являются дифракционные решетки [6]. Такое соединение обладает преимуществом относительно простотой реализации литографического процесса изготовления и морфологической характеризации структур. С другой стороны, простейшие формы этих структур по своей природе чувствительны к поляризации и длине волны, и для уменьшения влияния этих ограничений требуются тщательное проектирование дизайна структуры.

В данной работе предложена реализация «вертикального» соединения посредством 3D-микроструктур для ввода излучения в фотонные чипы. Также посредством данных структур можно выводить излучение из системы. Наиболее эффективным методом для создания 3D-микроэлементов ФИС является аддитивный метод двухфотонной фотополимеризации (Direct Laser Writing — DLW-фотолитография). Данный метод основан на инициации фотохимической реакции двухфотонной фотополимеризации (Two Photon Polymerization — TPP), вызванной эффектом двухфотонного поглощения (Two Photon Absorbtion — TPA) вблизи перетяжки сфокусированного фемтосекундного лазерного излучения [7]. С помощью метода DLW-фотолитографии создаются фотонные микроструктуры, важные для практических применений: устройства на основе массива микролинз [8], фазовые маски для изменения волнового фронта [9], соединения фотонных чипов и устройства ввода излучения в чип [10, 11], фотонные разветвители на их основе [12].

Нами были созданы 3D-микроструктуры для ввода излучения в ФИС. Эффективность 3D-микроструктур для заведения излучения в фотонные чипы была исследована на основе данных пропускания излучения ФИС в диапазоне длин волн от 1480 до 1640 нм.

Методы

DLW-фотолитография

Для формирования полимерных 3D-микроструктур для ввода/вывода излучения использовали метод DLW-фотолитографии, реализованный на базе коммерческой установки Nanoscribe Professional (Nanoscribe, Германия). Реакцию двухфотонной фотополимеризации инициировали фемтосекундным лазерным излучением с частотой повторения 80 МГц на длине волны 780 нм. Излучение фокусировали высокоапертурным планапохроматическим 63× объективом с числовой апертурой NA = 1.4 (Zeiss, Германия). Для DLW-литографии использовали негативный фоторезист для двухфотонной фотополимерзации Nanoscribe Ip-Dip (Nanoscribe, Германия). Полученные образцы проявляли в ацетате монометилового эфира пропиленгликоля (PEGMA) в течение 25 мин и в изопропиловом спирте (IPA) — 5 мин.

Морфология

Для исследования морфологии структур и получения карты люминесценции использовали конфокальный микроскоп LSM 510 Meta (Zeiss, Германия) с масляным иммерсионным 40× объективом с числовой апертурой NA=1.3 (Zeiss, Германия) [13]. Возбуждение люминесценции осуществляли аргоновым лазером с длиной волны 458 нм. Для морфологического исследования 3D-микроструктур использовали режим покадрового сканирования и получения Z-стека планарных карт люминесценции. При сканировании размер точечной диафрагмы для конфокальной схемы составлял 100 мкм.

Стенд пропускания

Для определения эффективности ввода излучения в ФИС измеряли спектры пропускания ФИС со структурами для ввода излучения. Спектры пропускания измеряли с помощью экспериментальной установки на основе перестраиваемого в диапазоне от 1480 до 1640 нм лазерного источника излучения (рис. 1). Посредством массива оптических волокон излучение направляли на исследуемую структуру, закрепленную на подвижном столике с XY-пьезоподвижками, и регистрировали на выходе фотодетектором. Для достижения максимальной мощности на фотодетекторе, исследуемую структуру позиционировали с помощью XY-пьезоподвижек, а также с помощью изменения высоты массива волокон.

Рис. 1. Схематическое изображение экспериментальной установки для измерения спектра пропускания. Синим цветом, показан путь оптических волокон, серым, электрический, черным, удаленное управление лазером.

Результаты

Нами был разработан дизайн 3D-микроструктур для ввода/вывода излучения в фотонные чипы, который состоял из трех частей: 1) верхняя часть в виде сегмента сферы, выполняющая роль линзы, согласованной с используемым в работе оптоволокном с числовой апертурой NA = 0.2, 2) адиабатический переход от круглого сечения волноведущей части к прямоугольному сечению, 3) полимерный конус (тейпер) для конвертации излучения из полимерной структуры в планарный волновод из нитрида кремния.

При создании модели 3D-микроструктур для ввода/вывода оптического излучения в ФИС было рассмотрено влияние эффекта полного внутреннего отражения для оптимизации параметров модели, а также учтены геометрические размеры микроструктуры для создания структуры методом прямого (3+1)D лазерного письма в рамках одного литографического (объемного) поля. Для дизайна 3D-микроструктур для ввода/вывода оптического излучения в ФИС рассматривали сферические сегменты толщиной не меньше 1 мкм, и волноведущие части с характерными размерами сечения не меньше 0.5 мкм. Для упрощения расчета структуры использовали адиабатический переход от круглого сечения к прямоугольному в виде сегмента кольца с переменным сечением. Для оценок параметров оптимальных для распространения излучения в 3D-структуре использовали значение коэффициента преломления, равное 1.5, соответствующее показателю преломления экспонированного фотополимера [14]. Угол полного внутреннего отражения для границы фотополимер-воздух равен 41.3°. Это значение в дальнейшем было использовано для оценки связи высоты структуры и размера апертуры. В процессе проведенных оценок было установлено, что для достижения наименьших потерь радиус закругления адиабатического перехода от круглого сечения волноведущей части к прямоугольному сечению должен быть примерно равен диаметру апертуры верхней части в виде сегмента сферы, выполняющего роль линзы. Длина полимерного тейпера для конвертации излучения из полимерной структуры в планарный волновод из нитрида кремния была выбрана равной 50 мкм. На основе разработанного дизайна и выполненных расчетов были подготовлены шаблоны структур 3D-микроконекторов ввода/вывода оптического излучения в ФИС с квазистационарным переходом от круглого сечения волноведущей части с апертурой большей от 50 до 100 мкм к прямоугольному с сечением 0.5×1 мкм². Далее была выполнена оптимизация параметров структуры: дистанции между планарными слоями печати от 100 до 400 нм, высоты от 50 до 100 мкм и апертуры — от 18 до 35 мкм (рис. 2).

Рис. 2. Модель 3D-коннекторов, подготовленная в программном обеспечении DeScribe.

Тестовый чип для сравнения эффективности структур для ввода/вывода излучения в ФИС был изготовлен на подложке, состоящей из кремния, оксида кремния и нитрида кремния, методами фотолитографии с помощью негативных фоторезистов. На данном чипе было подготовлено два типа структур: 1) дифракционные решетки, совмещенные с планарным волноводом, 2) выходы для 3D-коннекторов, совмещенные с планарным волноводом (рис. 3а). На макетах с выходами для 3D-коннекторов были созданы структуры для ввода/вывода излучения в диапазоне длин волн от 1480 до 1640 нм, с вариацией параметров: высоты (от 50 до 100 мкм) и апертуры (от 18 до 35 мкм) (рис. 3б). Для обоих типов структур были проведены исследования эффективности ввода/вывода излучения.

Рис. 3. Изображения фрагментов чипа для исследования эффективности ввода оптических коннекторов, полученные с помощью методов оптической микроскопии. Изображения дифракционных конвекторов и входов для 3D-микроструктур до поведения DLW-фотолитографии (а). Изображения выходов для 3D коннекторов до и после прямого (3+1) D лазерного письма (б).

Морфология 3D-микроструктур для ввода/вывода оптического излучения в ФИС исследовалась методами лазерной конфокальной микроскопии (рис. 4). В ходе исследований были определены величины дистанций смещения 3D-коннекторов относительно планарных волноводов, которые принимали значение не более 0.3 мкм. Также, в рамках морфологических исследований было выявлено, что микроструктуры с высотой от 75 до 100 мкм были сильно деформированы за счет эффекта усадки полимера, при котором все незафиксированные подложкой участки полимера сжимались на величину порядка 10 %. В результате деформации нарушалась заданная геометрия (выпрямление закругленного участка 3D-конектора), что существенно влияло на эффективность ввода/вывода излучения 3D-микроструктур.

Рис. 4. Изображение с конфокального микроскопа созданных 3D структур.

Эффективность 3D-микроструктур для ввода/вывода оптического излучения в ФИС была исследована с помощью оптического измерительного стенда. Было установлено, что наилучшим пропусканием обладали структуры с высотой 50 мкм, которые были меньше подвергнуты эффекту усадки, описанному выше. Также в ходе исследований пропускания 3D-коннекторов было проведено сравнение эффективности 3D-микроструктур и дифракционных решеток в диапазоне длин волн от 1480 до 1640 нм (рис. 5). Для изготовленных 3D-микроструктур для ввода/вывода оптического излучения в ФИС максимальная эффективность была сопоставима с эффективностью дифракционных коннектеров. Разница пропускания в 1.5 раза определена для прохождения излучения через две структуры и существенно зависит от положения массива оптоволокон относительно подложки. Представленные спектры были получены при положении массива оптоволокон на расстоянии порядка 100 мкм от поверхности тестового чипа ФИС. В результате проведенных исследований было показано, что эффективность ввода/вывода 3D-коннекторов слабо зависит от длины волны падающего излучения по сравнению с дифракционными конекторами. Развитый подход в перспективе позволит создавать эффективные элементы ФИС для ввода/вывода излучения.

Рис. 5. Графики пропускания коннекторов. Серая кривая пропускание волновода с решеткой. Черная — волновода с двумя изготовленными 3D коннекторами для ввода/вывода излучения.

Заключение

Таким образом, были созданы 3D-микроструктуры для ввода/вывода излучения в ФИС методом DLW-фотолитографии. Показано, что наименьшее влияние эффекта усадки полимера наблюдается для структур (подготовленного дизайна) с высотой не более 50 мкм. Морфология созданных структур была исследована методами сканирующей конфокальной микроскопии. Изучено пропускание 3D-микроструктур ввода/вывода излучения. Изменение эффективности ввода излучения в диапазоне длин волн от 1480 до 1640 нм меняется не более чем на 30 %, а максимальная эффективность ввода излучения полученных структур превосходит эффективность дифракционных решеток более чем в 1.5 раза.

На основе предложенного в данной работе подхода могут быть созданы высокоэффективные спектрально не селективные элементы для ввода излучения с мягкими требованиями к точности совмещения оптоволокна и ФИС. Ослабление требований к точности совмещения оптоволокна и ФИС позволит использовать системы на основе ФИС не только при комнатных условиях, но и в условиях использования с криостатом. Такие системы в перспективе могут быть использованы как для создания высокопроизводительные компонент для устройств передачи и обработки больших объемов данных, так и для квантовых технологий.

Исследования 3D-микроструктур для заведения излучения в фотонные чипы выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 22-79-10153). Разработка технологий прямого лазерного письма выполняется в соответствии с Соглашением о предоставлении из федерального бюджета субсидии № 075-03-2024-117/8 от 23 мая 2024 г.