德国海德堡大学与明斯特大学研究团队提出一种基于3D打印的即插即用光子芯片封装技术，通过在光子集成电路（PIC）表面直接打印聚合物耦合结构，实现光纤与芯片之间的被动对准和高效光纤耦合。该方法采用双光子聚合3D打印制造微型光学结构，耦合损耗低至0.78 dB，并在1500–1600 nm通信波段保持稳定性能。这种低损耗、可重复连接的光子芯片光纤接口，为光通信、光计算和量子技术的发展提供了新的封装解决方案。
德国研究型大学海德堡大学的 Erik Jung 领导的研究团队，与包括明斯特大学的 Wolfram Pernice 在内的合作者共同展示了一种用于光子集成电路（PIC）的即插即用光纤接口，该接口实现了 0.78 分贝的总耦合损耗。相关成果发表在《Science》期刊上，研究描述了一种被动光学封装方法，该方法通过在芯片表面直接进行双光子聚合 3D 打印，使光纤能够与光子电路实现对准。
光子集成电路通过纳米尺度波导引导光信号来处理信息，可在传感、光通信、量子技术以及类脑计算等应用中实现高数据吞吐量和低延迟。然而，由于光纤与芯片上波导具有不同的模式场直径，高效的光学封装仍然是一项重要的工程挑战。光纤与芯片之间的接口必须在保持宽带传输能力的同时尽量降低光学损耗。
该研究提出了一种基于 3D 打印对准结构和聚合物耦合器的可拆卸接口，这些结构构建在氮化硅（Si₃N₄）光子平台上。一个母型多光纤终端推入式（MTP）电缆连接到这些打印结构，从而在光纤阵列与光子芯片之间实现被动对准。作者将这种可拆卸架构描述为类似于光子集成电路的 USB 插头，使得无需主动对准即可实现可重复的连接。
光学耦合通过基于全内反射（TIR）的聚合物垂直耦合器实现。这些结构能够将来自光纤的光垂直引导进入芯片上的波导。耦合器包含一个渐缩的模式传输部分，用于将光功率从氮化硅波导过渡到聚合物波导，随后是一个模式场扩展区域、一个全内反射反射面以及一个椭球形聚焦透镜，用于将光束匹配到光纤模式。研究人员使用有限元频域仿真对耦合器几何结构进行了优化。
测量结果显示，每个耦合器的峰值传输为 −0.41 dB，对应约 91% 的光学传输效率。在 1500 至 1600 纳米波长范围内，宽带耦合性能保持稳定，该范围覆盖了光通信系统中使用的 S、C 和 L 波段。在该光谱范围内记录到的最小传输为 −0.55 dB，而在名义上相同的耦合器之间的标准差为 0.05 dB。
该制造过程依赖于双光子聚合（TPP），这是一种能够在半导体基底上直接制造复杂光学结构的纳米尺度增材制造方法。耦合器使用灰度 TPP 和高分辨率物镜制造，而被动对准结构则在第二个 TPP 步骤中完成，该步骤使用低倍率透镜，可打印毫米尺度结构。每个耦合器的制造时间不到一分钟，而对准结构的打印时间约为 25 分钟。
实验测试评估了该方法的可重复性和对准容差。对多个器件进行的传输测量表明，耦合性能具有良好的一致性。当在光纤阵列与耦合器之间引入有意的偏移时，−1 dB 的对准容差约为 4 微米，而在 ±1.5 微米范围内的错位仅会额外引入不到 0.3 dB 的损耗。
研究人员利用该封装系统展示了一个 16 × 1 光子矩阵，该矩阵用于执行矩阵—向量乘法（MVM）运算。集成在光子波导上的相变材料锗—锑—碲（GST）在光学网络中充当可编程权重。一个 12 × 2 的 MTP 电缆与芯片接口，通过打印的耦合结构连接到一个 17 端口的光子电路。对所有端口进行的测量显示平均最小耦合传输为 −0.78 dB，证明了整个器件中性能的一致性。
研究人员使用覆盖 100 纳米光谱范围的超辐射发光二极管（SLED）对宽带光学兼容性进行了测试。他们以 17.6 吉波特的速率对宽带信号进行调制，并在信号通过两个耦合器后测量其信号完整性。宽带运行能力使得依赖波分复用或混沌光源进行概率计算的光子计算架构成为可能。
此前基于光栅耦合器的被动垂直封装技术通常报告的总耦合损耗在 1.7 至 5.7 dB 之间，具体取决于制造复杂度和对准条件。本文报道的接口实现了 0.78 dB 的总损耗，其中包括 0.37 ± 0.11 dB 的封装损耗，同时保持了宽带光学性能。
研究人员表示，该耦合方法可以适用于其他光子平台，包括绝缘体上硅（SOI）、铌酸锂以及五氧化钽，在这些平台上只需要对波导过渡区域进行修改即可。此外，直接在芯片表面打印的对准结构还消除了在装配过程中精确定位光子芯片与印刷电路板之间位置的需求。
这些研究结果展示了一种利用纳米尺度 3D 打印构建的可拆卸光子集成电路光学接口。低光学损耗、宽带耦合能力以及可重复的被动对准，为构建更大规模的光子计算与通信系统提供了支持。
研究团队还展示了一个 16 × 1 光子矩阵的多端口接口系统。
