憑借晶圓級(jí)制造工藝，集成光子學(xué)領(lǐng)域近年發(fā)展迅速，在紅外（激光雷達(dá)和通信等應(yīng)用）和可見光（深入新興應(yīng)用領(lǐng)域，如顯示、光遺傳學(xué)和量子系統(tǒng)等）波段都已有報(bào)道集成光子學(xué)平臺(tái)和制造工藝。然而，這些進(jìn)展主要集中于硅襯底上的制造工藝，獲得的是剛性光子晶圓和芯片，限制了其潛在的應(yīng)用空間。

柔性集成光子晶圓有望使更多應(yīng)用領(lǐng)域受益，例如貼合人體或衣物的可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備和柔性顯示器等。受益于光子功能的可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)護(hù)設(shè)備可以佩戴于手腕（智能手表）、手指（智能戒指）或上臂（作為貼片），考慮到典型成人的手腕周長、戒指尺寸和上臂尺寸，這些監(jiān)測(cè)設(shè)備需要的彎曲直徑分別約為4厘米、1.5厘米和7.6厘米。

迄今，已有一些關(guān)于柔性光子學(xué)制造的報(bào)道。實(shí)現(xiàn)柔性光子學(xué)的一種流行技術(shù)是異質(zhì)集成，即首先在剛性襯底上制造器件，然后通過direct-flip或stamp-assisted工藝將器件轉(zhuǎn)移到柔性襯底上。另一種流行的技術(shù)是單片集成，即直接在柔性襯底上對(duì)器件進(jìn)行圖案化，而柔性襯底則由剛性襯底臨時(shí)支撐。不過，這些現(xiàn)有柔性光子學(xué)僅限于單個(gè)器件或芯片規(guī)模的制造工藝，這限制了其可擴(kuò)展性。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員開發(fā)并實(shí)驗(yàn)表征了第一個(gè)可以制造柔性光子晶圓及芯片的300毫米晶圓級(jí)平臺(tái)。首先，研究人員開發(fā)了300毫米晶圓級(jí)CMOS兼容的柔性平臺(tái)和制造工藝。接著，通過實(shí)驗(yàn)演示了可見光波長下的關(guān)鍵光學(xué)功能，包括芯片耦合、波導(dǎo)路由和無源器件。實(shí)驗(yàn)證明了光纖到芯片的邊緣耦合，耦合損耗為8 dB/facet，300 nm寬和400 nm寬波導(dǎo)的傳播損耗分別為12.1 dB/cm和9.4 dB/cm，1 x 2多模干涉儀（MMI）分路器的分路比為2.9 dB，所有這些都在632.8 nm工作波長下實(shí)現(xiàn)。

然后，研究人員進(jìn)行了彎曲耐久性研究，以表征光子芯片的機(jī)械柔性。研究人員演示了將單個(gè)柔性光子芯片繞直徑從5厘米到1.25厘米圓柱體彎曲2000次，其光學(xué)性能沒有明顯下降。最后，研究人員通過實(shí)驗(yàn)表征了彎曲柔性光子芯片所引起的偏振效應(yīng)，比較了柔性芯片平放與圍繞兩個(gè)直徑不同圓柱體彎曲時(shí)的器件性能，發(fā)現(xiàn)輸出光的偏振會(huì)隨著芯片的彎曲而發(fā)生變化。

柔性光子芯片的制造工藝

柔性光子芯片的實(shí)驗(yàn)表征

展望未來，研究人員將繼續(xù)開發(fā)這種晶圓級(jí)制造工藝，深入研究柔性光子芯片的特性。首先，研究人員將在平臺(tái)上引入晶圓級(jí)蝕刻切割溝槽，以實(shí)現(xiàn)更平滑的切面和更低損耗的邊緣耦合器；其次，探索退火步驟，以及改用LPCVD氮化硅的可行性，以進(jìn)一步降低波導(dǎo)傳播損耗；第三，對(duì)柔性光子芯片的機(jī)械性能進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)表征，包括量化楊氏模量、彈性常數(shù)和斷裂強(qiáng)度；第四，研究應(yīng)變對(duì)波導(dǎo)光學(xué)特性的影響，進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與彎曲引起的偏振旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較；第五，探索芯片向另一方向彎曲的影響，由于波導(dǎo)受到的應(yīng)力和應(yīng)變不同，預(yù)計(jì)這將對(duì)偏振旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響；第六，開發(fā)一套自動(dòng)彎曲測(cè)試裝置，以便對(duì)芯片的耐久性進(jìn)行嚴(yán)格的高通量表征；第七，設(shè)計(jì)更多量身定制的光子器件，進(jìn)一步研究芯片彎曲對(duì)偏振和損耗的影響。

總體來說，這項(xiàng)研究成果為可擴(kuò)展的柔性集成光子學(xué)制造鋪平了道路，推動(dòng)集成光子學(xué)進(jìn)入需要柔性光子芯片的新應(yīng)用領(lǐng)域，例如與人體或織物相適應(yīng)的可穿戴醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀以及柔性顯示器等。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41598-024-61055-w

審核編輯：劉清