研究人员将多个微米级光学器件集成到一个芯片上

研究人员开发出一种高度精确的方法，可以在一个芯片上将多个微米级光学器件紧密的靠近组装在一起。这种新方法未来可以实现基于芯片的光学系统的大批量制造，从而实现更紧凑的光通信设备和先进的成像仪器。

英国斯特拉斯克莱德大学的 Dimitars Jevtics 说：“基于硅晶体管的电子产品的发展使芯片上的系统变得越来越强大和灵活。但是，芯片上的光学系统需要在单个芯片上集成不同的材料，因此在规模上还没有像硅电子学那样发展。”

在Optica期刊《光学材料快报》上，Jevtics及其同事描述了他们的新转移印刷工艺，并展示了其将多种材料制成的设备放置在单个芯片上的能力，所有设备都集成在与设备本身尺寸相似的占地面积内。虽然其他方法通常仅限于单一材料，但这种新方法提供了一个材料工具箱，未来的系统设计人员可以从中进行绘制。

“例如，片上光通信将需要将光源、通道和探测器组装到可以与硅芯片集成的子组件上，”Jevtics 说。“我们的转移印刷工艺可以扩大规模，将数千个由不同材料制成的设备集成到一个晶圆上。这将使微米级光学设备能够被整合到未来的计算机芯片中，用于高密度通信或实验室上的芯片生物传感平台。”

更好的选择和放置方式

在芯片上组装多个设备的最大挑战之一是尝试将它们非常靠近地放置在一起，而不会干扰芯片上已有的设备。为实现这一目标，研究人员开发了一种基于可逆粘附的方法，在该方法中，设备被拾取并从其生长基底上释放并放置在新表面上。

新的传输打印方法未来将大批量制造

新方法使用安装在机器人运动控制台上的软聚合物印章从制造光学设备的基板上拾取光学设备。然后将要放置的基板放置在悬挂装置下方，并使用显微镜准确对齐。一旦正确对齐，两个表面就会接触，从而将器件从聚合物印模上释放出来并将其沉积到目标表面上。精确微组装机器人、纳米制造技术和显微图像处理的进步使这种方法成为可能。

通过仔细设计印章的几何形状以匹配设备并控制聚合物材料的粘性，我们可以设计设备是否会被拾取或释放，”Jevtics 说。“优化后，此过程不会引起任何损坏，并且可以使用自动化进行扩展以与晶圆级制造兼容。”

创建密集封装的芯片

为了演示这项新技术，研究人员将砷化铝镓、金刚石和氮化镓光学谐振器集成到单个芯片上。这些光谐振器表现出良好的光传输，表明集成工作良好。

他们还使用打印方法通过将纳米线以空间密集的排列方式放置在主体表面上来创建半导体纳米线激光器。纳米线之间的间隔的扫描电子显微镜测量显示了 100 纳米范围内的空间精度。通过将半导体纳米线放置在二氧化硅上，他们能够创建多波长纳米激光系统。

“作为一种制造技术，这种打印方法不仅限于光学设备，”Jevtics 说。“我们希望电子专家也能看到它如何应用于未来系统的可能性。”

下一步，研究人员正在努力用更多的设备复制这些结果，以证明它可以在更大的范围内发挥作用。他们还希望将他们的转移印刷方法与他们之前开发的自动对准技术相结合，以实现对数百个隔离设备的快速测量、选择和转移，以用于成像和混合光学电路中的应用。

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