Laser Structured Optical Interposer for Ultra-dense Vertical Coupling of Multi-core Fibers to Silicon Photonic Chip
本文展示了一种紧凑型、由飞秒激光加工的玻璃中介层，该中介层实现了从六根多芯光纤到硅光子芯片的40个光学通道的超高密度垂直耦合，具有低插入损耗，为数据中心和光计算中的高密度互连提供了一种极具前景的解决方案。
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在现代世界中，信息的传递速度高达光速，但承载这些信息的物理设备却面临着顽固的瓶颈。在为我们的数字生活提供动力的计算机和数据中心内部，微小的硅芯片以惊人的速度处理数据。为了将信息传输到这些芯片上或从中传出，工程师们使用光纤，即引导光的细玻璃纤维。然而，两者之间存在着根本性的尺寸不匹配。硅芯片内部的路径是微观层面的，而连接它们的纤维则相对较粗，就像花园里的水管对着一根头发丝。弥合这一差距长期以来一直是一个挑战。多年来，工程师们一直尝试沿着芯片的边缘排列这些粗大的光纤，但这种方法限制了能在狭小空间内集成的连接数量。随着对更高速网络需求的增长，如何在不损失信号强度的前提下，将数百个数据流连接到单个芯片上，已变得至关重要。
为了解决这个问题，研究人员转向了一种不同的方法：将光纤连接到芯片的平面而非其边缘。这需要弯曲来自光纤的光，使其垂直向下进入芯片。挑战在于如何在紧凑的空间内同时实现数十根光纤的操作，而不使光发生散射或衰减。多伦多大学的一个科学家团队开发了一种新方法，利用一块玻璃和一台强大的激光器，在两个世界之间架起了一座桥梁。他们创造了一种设备，可以接收一束特殊的纤维（每根纤维包含多个导光芯），并将它们引导通过一个三维的玻璃通道迷宫。这些通道引导光线经过微型镜面进行反射，从而向下投射，连接到硅芯片上的传感器阵列。
研究人员首先设计了三种不同的玻璃桥布局，每一种都试图比前一种更紧凑地排列连接。他们制造的设备是一个厚度约为一毫米的高纯度石英玻璃薄片。在玻璃内部，他们使用飞秒激光刻蚀出了隐形的路径。这些路径并非中空的管道，而是玻璃结构被轻微改变后的区域，用以引导光线，就像道路引导汽车一样。激光还在玻璃内部创造了微小的平滑镜面。这些镜面并非由金属制成，而仅仅是玻璃内部经过抛光的表面，起到完美反射器的作用，将光线以锐角反射。通过在三维空间中布置这些镜面和路径，团队可以将侧向进入的光线转变为垂直向下传输，直接进入芯片。
团队测试了三种不同的设计，以观察哪种效果最好。第一种设计将连接分布在较高的空间内，虽然便于引导光线，但导致设备较为臃回。第二和第三种设计尝试压缩这种排列，将路径折叠进更薄的轮廓中。其中一种紧凑型设计使用了一个巧妙的技巧，让光路径以陡峭的角度相互交叉，类似于高架桥，以节省空间。研究人员发现，虽然路径交叉不会导致光漏入相邻通道，但最紧凑的设计在尺寸和性能之间达到了最佳平衡。他们选择了这个最紧凑的版本来构建最终设备，该设备可以同时处理四十个独立的光通道。
为了将该设备与外界连接，研究人员在玻璃块上添加了自对准插座。这些插座是形状精确的小孔，用于固定光纤。当光纤插入时，插座的形状会自然引导光纤内部的导光芯实现完美对齐，从而无需复杂的手动调整。随后，团队将这个玻璃块键合到一个在表面具有微型光栅耦合器阵列的硅芯片上。这些光栅就像微型栅栏，能够捕捉从上方射入的光并将其导入芯片内部电路。整个组件通过透明环氧树脂进行加固，形成了一个单一且稳固的单元。
当研究人员测试完成后的设备时，他们测量了光从光纤出发，穿过玻璃桥，进入硅芯片过程中的损耗情况。他们发现该系统运行得非常出色。平均而言，光强仅损失了极小的一部分，表现最好的连接损耗甚至更低。该设备成功地将来自二维光纤阵列的四十个光通道路由到了芯片表面。这比以往只能在芯片边缘处理少量通道的旧方法有了显著改进。这种新方法允许更高的连接密度，能在不损失信号强度的前提下，在更小的区域内集成更多的数据流。
研究还观察了该设备在不同条件下的长期表现。在环氧树脂固化并让设备静置两周后，研究人员再次检查了连接情况。他们发现性能保持稳定，几乎没有信号衰减。这表明玻璃与硅之间的结合非常牢固且可靠，能够承受现实世界的使用压力。团队指出，主要的信号损耗源于硅芯片本身，特别是芯片捕捉光线的方式，而非他们制造的玻璃桥。这表明如果能改进芯片设计，整体性能将会更加出色。
通过展示一种紧凑的、基于玻璃的桥梁可以成功地将密集的光纤阵列连接到硅芯片上，这项工作为更强大、更高效的光网络开辟了道路。通过三维玻璃结构垂直传输光线的能力，意味着工程师现在可以在更小的空间内堆叠更多的连接，解决了阻碍数据中心和高速计算发展的物理极限问题。该设备证明，通过精确的激光工程，可以在玻璃中像编织电线一样可靠地编织光线，为下一代光互连技术奠定基础。
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