面向光子封装的低损耗光耦合器制备方案
低损耗光耦合已成为实现规模化光子集成的核心前提。Quantum X align专为破解这一挑战而生:创新性融合双光子聚合(2PP)技术与自动对准功能,可直接在芯片与光纤端面制备自由曲面光耦合器,助力实现低损耗、可规模化的光子集成。
光子封装低损耗光耦合器
破解光耦合瓶颈
随着AI、高性能计算、数据中心等领域对光互连的需求持续增长,共封装光学(CPO)不断推高输入输出(I/O)密度,高效光耦合也因此成为核心挑战。要在光子集成电路(PIC)、光纤、有源光子器件之间实现低损耗光耦合,同时需要高精度对准能力与制造灵活性。Quantum X align通过自动对准的3D打印自由曲面微光学元件解决了这一难题,可降低耦合损耗、提升对准容差,支撑可扩展的光子封装。
面向可扩展光子耦合的3D打印光学元件
光耦合器可在光纤、光子集成电路(PIC)及其他光子器件之间高效传输光信号。3D打印微光学元件可支持多种耦合方案,包括光纤-芯片耦合、芯片-芯片边缘耦合、激光器-芯片耦合,以及通过光栅耦合器实现的表面耦合。
片上波导与单模光纤之间的模场直径(MFD)失配,需要精确的模式适配与对准才能实现低损耗耦合。3D打印自由曲面光学元件可直接制备在光纤、PIC及其他光子器件上,可灵活设计实现光束整形与模场适配,在降低插入损耗的同时提升对准容差与封装可靠性,是光子封装与下一代CPO架构的可扩展解决方案。
Quantum X align 制备光耦合器的核心优势
Quantum X align可实现亚dB级损耗的低损耗光耦合,提升对准容差,支撑可扩展光子封装与下一代光互连。它将自动对准技术与双光子灰度光刻(2GL®)高通量3D打印相结合,可直接在芯片与光纤上制备定制化自由曲面微光学元件,在简化集成的同时,满足先进光子器件所需的灵活性。
- 定制化自由曲面光束整形光学元件:可实现低损耗扩束耦合,优化模场匹配,提升无源对准的对准容差。
- 自动对准功能:可对准纤芯、芯片边缘与片上基准标记,实现结构的高精度放置;根据对准目标不同,检测精度可达100 nm级;专利光束阴影补偿技术支持在芯片边缘直接打印扩束器。
- 2GL® 3D打印技术:可快速制备高精度自由曲面微光学元件,形面精度优异,表面质量达光学级(Ra低至5 nm),打印速度比传统双光子聚合(2PP)最高快60倍。
- 可扩展制造能力:单次打印可最多处理4×8根光纤,支持最高150×150 mm²基板(含8英寸晶圆与单颗裸片)的晶圆级对准3D打印。
- 广泛的器件兼容性:适配主流PIC平台,包括氮化硅(SiN)、硅(Si)、绝缘体上硅(SOI)、磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、薄膜铌酸锂(TFLN);同时适配各类光纤,包括单模光纤(SMF)、多模光纤(MMF)、多芯光纤、光纤束、保偏(PM)光纤与光纤阵列。
- 经验证的光敏树脂材料:在紫外到近红外波段均具有高透明度,光学性能可定制,长期环境可靠性已得到验证。
- 易用的nanoPrintX软件:支持可视化作业设置与实时反馈,可简化常规与复杂对准工作流程。
答疑专区:光耦合器的3D打印
打印微光学元件如何降低耦合损耗?
3D打印自由曲面光学元件可定制适配光纤、激光器与光子集成电路(PIC)之间的光学模场分布。通过优化模场匹配、提升对准容差,这类元件既能降低插入损耗,又可简化组装流程,支撑无源对准方案。与传统边缘耦合器相比,定制化自由曲面光学元件的耦合效率更高、对准容差更大;同时与光栅耦合器相比,具备更宽的光学带宽与更低的偏振敏感性。
例如,直接打印在绝缘体上硅(SOI)芯片、以及间距127 µm的标准SMF-28光纤阵列上的准直自由曲面微透镜,耦合损耗低至1.35 dB,同时可在大工作距离下实现高效耦合。
扩束耦合如何提升对准容差?
扩束耦合元件会在光传输前放大光学模场,降低耦合界面对横向偏移误差的敏感度,从而提升对准容差、简化组装流程、增强封装可靠性。同时,扩束耦合可减少对有源对准的依赖,支撑无源对准方案落地。
3D打印如何制备空芯光波导?
高分辨率3D打印可实现传统平面制备工艺无法制备的空芯三维光子晶体波导。这类三维结构直接打印在硅光子芯片上,光通过被精密排布的微结构包裹的空气芯传输,传输距离可达厘米级。其开放式结构可增强光与液体、气体等周围介质的相互作用。空芯波导将光路路由与强光-物质相互作用相结合,为传感、量子技术与集成光子系统开辟了全新方向。
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On-chip 3D printing of hollow-core photonic waveguides
3D打印自由空间微光学元件的可靠性如何?
3D打印自由空间微光学元件在严苛环境条件下仍可稳定保持光学性能与机械结构完整性。研究人员对直接打印在SMF-28光纤阵列上的潜望镜透镜、准直透镜等自由空间光耦合元件,开展了1000小时的湿热测试(测试条件:85 ℃ / 85% 相对湿度RH)。
测试通过潜望镜结构评估耦合性能:光从一根光纤入射,经相邻光纤上的两个潜望镜转折传输后,耦合进入第二根光纤。对比湿热测试前后的耦合损耗结果显示,单耦合界面的附加损耗≤ 0.3 dB。此外,研究人员还使用光束轮廓仪表征了3D打印准直透镜的出射光束,对比束腰处的高斯光束拟合结果发现,测试后模场直径(MFD)的平均变化仅为1.3%。
除此之外,这类微光学元件还通过了数百次-20 ℃ ~ +125 ℃的温度循环测试。上述测试均用于验证打印微光学元件的材料稳定性与结构稳定性:测试后其光学性能、机械完整性(包括形面稳定性与基底附着力)均未出现显著变化,充分证明这类元件可适配对长期环境稳定性、光学性能可靠性有高要求的严苛应用场景。
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面向集成光子学与光学领域的对准3D打印技术
光学制造材料
专为微光学元件制造优化的光学树脂
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Advancing Vcsel Integration with Femtosecond Laser Microstructuring and 3d Nanoprinting
Authors: Athanasios Kyriazis, Salah Guessoum, Jeroen Missinne, Martin Virte, Jürgen Van Erps, Geert Van Steenberg
Affiliation: Ghent University, imec, Vrije Universiteit Brussel and Flanders Make
Journal: Optics and Laser Technology, Volume 192, Part A (2025)
Ultrabroadband plug-and-play photonic tensor core packaging with sub-dB loss
Authors: Erik Jung, Helge Gehring, Frank Brückerhoff-Plückelmann, Linus Krämer, Clara Vazquez-Martel, Eva Blasco, and Wolfram Pernice
Affiliation: Uni Heidelberg
Journal: Science Advances 11, eadz1883 (2025)
Highly-efficient fiber to Si-waveguide free-form coupler for foundry-scale...
Authors: Luigi Ranno, Jia Xu Brian Sia, Cosmin Popescu, Drew Weninger, Samuel Serna, Shaoliang Yu, Lionel C. Kimerling, Anuradha Agarwal, Tian Gu, Juejun Hu
Affiliation: Massachusetts Institute of Technology, Nanyang Technological University, Bridgewater State University
Journal: Photonics Research 12, 1055-1066 (2024)
Photonic Chiplet Interconnection via 3D-Nanoprinted Interposer
Authors: Huiyu Huang, Zhitian Shi, Giuseppe Talli, Maxim Kuschnerov, Richard Penty, Qixiang Cheng
Affiliation: Centre for Photonic Systems, Electrical Engineering Division, Department of Engineering, University of Cambridge, Huawei Technologies GmbH
Journal: Light: Advanced Manufacturing 5, 46 (2024)