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三維(3-D)納米印刷的自由形狀光學波導也被稱為光子線鍵，可以在光子晶片之間有效地耦合，大大簡化了光學系統的組裝。光子線鍵的形狀和軌跡提供了一個關鍵的優勢，可以替代傳統的光學組裝技術，而傳統的光學組裝技術依賴於技術上複雜而昂貴的高精度對位。在一項新的研究中，目前發表在《Nature: Light, Science & Applications》上，Matthias Blaicher、Muhammed Rodlin Billah和德國的光子學、量子電子學和微結構技術研究團隊展示了光通信引擎。該裝置依靠光子線鍵連接矽光子調製器陣列與雷射器和單模光纖。他們在實驗室裡利用先進的三維光刻技術將光子線鍵合到晶片上，有效地連接各種光子集成平臺。科學家們簡化了先進的光子多步模塊的組裝過程，從而實現了從高速通信到超快信號處理、光傳感和量子信息處理等多種應用的轉換。
光子集成是改造各種量子技術的關鍵方法。該領域的大多數商業產品都依賴於光子晶片的分立組裝，這些晶片需要耦合元件，如片上適配器和笨重的微透鏡或重定向鏡等。組裝這樣的系統需要技術上複雜的主動對準，以在器件開發過程中持續監控耦合效率。這類技術被歸類為高成本和低通量的方法，因此它們使光子集成電路（PIC）的晶圓級量產的任何優勢受到挫折。在這項研究中，Blaicher等人將傳統系統的性能和靈活性與使用先進的加法納米加工技術進行單片集成的緊湊性和可擴展性相結合。為了在光子器件上設計出自由形狀的聚合物波導，該團隊依靠直接寫雙光子光刻技術。該方法也被稱為光子線鍵合，以實現全自動化過程中的高效光耦合。
實驗中，Blaicher等人設計了100個密集間隔的光子線鍵（PWB）。實驗結果形成了先進光子多晶片系統的簡化組裝的基礎。實驗模塊包含基於不同材料體系的多個光子模，包括磷化銦(InP)或絕緣體矽(SOI)。實驗中的組裝步驟不需要高精度對準，科學家們利用三維自由形光子線鍵實現了晶片到晶片和光纖到晶片的連接。在製造印刷線路板之前，Blaicher等人使用三維成像和計算機視覺技術檢測了晶片上的對準標記。此後，他們使用雙光子光刻技術製造出了印刷線路板，使得解析度達到了亞微米級。該團隊將光學夾子並排放置在設置中，以防止熱瓶頸，實現高效地熱連接。混合多晶片模塊（MCM）依靠矽光子（SiP）晶片與InP光源和輸出傳輸光纖的高效連接。該團隊將光源實現為水平空腔表面發射雷射器（HCSEL），當他們將PWB與微透鏡結合在一起時，可以方便地將光學平面外連接到晶片表面。
在第一個實驗中，該團隊使用通過深紫外光刻技術製造的測試晶片，顯示出PWB提供了低損耗的光連接。每個測試晶片包含100個測試結構，以分離出波紋板損耗和光纖晶片耦合損耗。PWB的實驗室內製造是完全自動化的，每個連接只需約30秒，而且該過程可以進一步加快。該團隊通過在其他測試晶片上複製實驗，獲得了可比較的結果，清楚地證明了該工藝的優良可重複性。隨後，科學家們將樣品暴露在-40°C至85°C的多個溫度循環中，以證明該結構在技術相關環境條件下的可靠性。實驗過程中，樣品沒有發生性能下降或變形。為了了解PWB結構的高功率處理能力，他們對樣品進行了1550nm波長的連續雷射照射，隨著光功率的增加，實驗結果表明，在實驗中，樣品的性能沒有下降，也沒有變形。實驗表明，在工業相關的環境下，在現實的功率水平下，使用PWB可以實現高性能。
為了證明PWB方法在技術上的可行性，Blaicher等人實現了一個功能性的八通道光子多晶片發射機(Tx)引擎，該引擎結合了基於InP的雷射陣列和SiP(矽光子晶片)調製器陣列來調製強度。完整的組件包含兩個由四個水平腔體表面發射雷射器組成的陣列，通過PWB連接到一個行波損耗型的馬赫-澤赫德調製器陣列。該演示是一個原理驗證，留下了優化的空間。
在第二系列實驗中，該團隊形成了一個四通道多階發射機模塊，用於相干通信。在這個模塊中，他們將包含PWB的混合多晶片集成與電光調製器的混合片上集成相結合，將SiP納米線波導與高效電光材料相結合。該設置的結果是實現了低功耗的高效器件。
通過這種方式，Matthias Blaicher、Muhammed Rodlin Billah及其同事進行了光子線鍵(PWB)的三維納米製造，突破了現有混合光子集成方法的限制。該團隊使用兩個關鍵協議來實現兩個不同的混合型多晶片發射機引擎，證明了實驗設置的可行性。雖然該團隊在這項工作中專注於用於高速光通信的發射機模塊，但該技術可能會釋放出更廣泛的新奇應用，從而受益於混合光子集成的優勢。
論文標題為《Hybrid multi-chip assembly of optical communication engines by in situ 3D nano-lithography》。