Бесклеевое соединение волокна с чипом посредством прямой лазерной сварки для интегрированной фотоники

Стратегии соединения волокон для фотонных интегральных схем (PIC) обычно разрабатываются с использованием клеев. Однако этот метод соединения может привести к ухудшению оптических характеристик в долгосрочной перспективе и, следовательно, к потерям оптической передачи, что является фатальным в таких приложениях, как медицинские технологии и науки о жизни. В рамках проекта Eurostars «PICWeld» исследователи и партнеры Fraunhofer IZM разработали бесклеевой, компактный и надежный процесс лазерной сварки для крепления оптических волокон к PIC. Интеграция процесса в автоматизированную систему выравнивания доказала свою промышленную зрелость, что делает метод соединения стекла со стеклом чрезвычайно привлекательным для коммерческого использования.

Давно известно, что на биохимические процессы , начиная от функционирования органов и заканчивая регулированием температуры и выработкой гормонов, большое влияние оказывает свет. Исследования света и тела в настоящее время значительно продвинулись вперед, и новые дисциплины, такие как науки о жизни и биофотоника, решают проблемы на стыке естественных наук и медицины. Таким образом, высокоточные комплексные измерения могут использоваться для получения информации о том, как свет взаимодействует с веществом, например, путем изучения структуры клеток и тканей, связанных с раком.

Но проникнуть в эти самые сокровенные биологические секреты — задача не из легких: недавно миниатюрные системы на основе PIC с высокостабильными соединениями волокон были предложены как способ понять роль видимого света в биологических процессах . Именно здесь Институт надежности и микроинтеграции Фраунгофера IZM выступил с исследовательским проектом «PICWeld», разработав совершенно новый процесс лазерной сварки, который можно использовать для присоединения оптических волокон непосредственно к PIC на основе подложек из плавленого кварцевого стекла. С помощью своего партнера ficonTEC Service GmbH этот процесс был реализован в автоматизированной системе, обеспечивающей высокую воспроизводимость и масштабируемость.

Исследовательская группа под руководством доктора Алетеи Ванессы Саморы Гомес поставила перед собой задачу разработать более простые, прочные и долговечные соединения стекло-стекло. Такие соединения уже используются в мире специализированной оптики, но традиционные решения имеют существенный недостаток: в большинстве случаев дискретные оптические компоненты соединяются с помощью клея. Мягкость клея может привести к изменению положения компонента с течением времени, а также создать точку взаимодействия между двумя слоями стекла, что может привести к затуханию сигнала и стать хрупким по мере старения клея.

Поэтому долгосрочная стабильность часто имеет решающее значение. Чтобы обойти эти недостатки метода соединения, исследователи разработали процесс CO ₂лазерная сварка, впервые создающая прямое, термически прочное и прозрачное соединение стекло-стекло.

Но для того, чтобы выйти за рамки экспериментальной лазерной сварки для получения надежных соединений плавленого кварцевого стекла и сделать технологию на шаг ближе к индустриализации и высокой масштабируемости, была разработана и изготовлена ​​совершенно новая автоматизированная технологическая система.

Полученная система обеспечивает бесклеевой интерфейс и высокоэффективное соединение сварных оптоволоконных PIC, которые включают встроенные волноводы. Но прежде чем соединения были готовы к применению, исследователям пришлось преодолеть ряд технологических проблем. Поскольку стеклянные волокна и подложки имеют разные объемы, теплоемкости двух соединяемых частей также неодинаковы. Это несоответствие приводит к очень разным характеристикам нагрева и охлаждения, что может привести, например, к деформации и трещинам во время охлаждения. Решение экспертов в области фотоники состояло в том, чтобы равномерно нагреть подложку с помощью отдельного, индивидуально регулируемого лазера, чтобы фаза плавления волокна и подложки достигалась одновременно.

Система, которая оснащена тепловым контролем процесса до 1300 ° C, системой позиционирования с точностью до 1 мкм, процессами распознавания изображений и программным обеспечением управления, использовалась для сварки первых соединений в ходе проекта, что позволило расширить ее функциональность. должны быть проведены испытания и первоначальные измерения, ориентированные на технологический процесс.

Сразу после завершения PICWeld в 2021 году были запущены первые последующие проекты, в которых новая технология использовалась для оптоволоконной связи коллиматоров, волноводных чипов и многолинзовых матриц. «С нашей системой лазерной сварки CO ₂ мы расширили процесс, лежащий в основе существующего принципа: в частности, высокий потенциал автоматизации позволяет клиентам использовать PIC с максимальной эффективностью соединения. Промышленная интеграция означает скачок вперед в областях, в которых может применяться биофотоника. , но также и для квантовой связи и высокопроизводительной фотоники», — объясняет руководитель проекта Fraunhofer IZM доктор Алетея Ванесса Самора Гомес.