CO2激光焊接为玻璃基光子集成电路创造了可靠的光纤连接

近日，由弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer IZM）牵头的研究团队宣布开发出一种无粘合剂、节省空间和稳定可靠的CO₂激光焊接工艺，能够用于将光纤固定在熔融石英玻璃基板上的光子集成电路(PICs)。

据介绍，这项工作是围绕“PICWeld”欧洲之星项目开展完成的，参与方包括了Fraunhofer IZM的研究人员与他们的合作伙伴LioniX International BV、Phix Photonics Assembly和ficonTEC Service GmbH。目前，该工艺已经集成到一个自动化校准系统中，并且凭借其高重现性和可扩展性验证了工业成熟度，并使得玻璃-玻璃连接技术在商业应用中极具吸引力。

图片来源：弗劳恩霍夫协会（Fraunhofer IZM）

以往，基于光子集成电路(PICs)的小型化系统可以方便地用来理解可见光在生物过程中的作用。不过，这种系统需要高度稳定的光纤连接，而其常用的胶粘剂本身具备柔软性，会导致组件的位置随着时间的推移而改变，同时也会在两层玻璃之间产生干涉点。这将导致信号衰减，并且随着胶粘剂的老化，光纤连接也会变得脆弱不稳定。胶粘剂连接长期过程下会发生光学退化，并造成相当高的光学传输损耗，这在关键的生命科学和医疗技术应用中恰恰是非常致命的漏洞。

针对这些问题，该合作研究团队基于CO₂激光焊接开发了一种制造玻璃玻璃透明接头的新工艺，使其更简单、更坚固、更耐用。新的自动化系统，可以实现无粘合剂界面，以及波导集成PICs焊接光纤的高效耦合。

在这种工艺真正投入应用之前，研究人员仍然需要克服许多挑战。由于玻璃光纤和衬底的体积不同，这两部分的热容也不相等。这种差异导致非常不同的加热和冷却行为，这可能导致一系列问题，例如在冷却过程中发生的变形和开裂。上述光子专家们的解决方案是通过单独的、单独可调的激光器均匀地预热衬底，从而同时实现光纤和衬底的熔化阶段。

据悉，新的自动对准系统配备了高达1300℃的热过程监测，精确到1μm的定位系统，图像识别过程和控制软件。在项目过程中，这个系统用于焊接接头，从而对其功能和初始工艺进行测试。

“PICWeld”项目于2021年完成后，又立即启动了第一个后续项目，将开发用于准直器、波导芯片和多透镜阵列的光纤耦合新技术。

Fraunhofer IZM的Alethea Vanessa Zamora博士解释称:“通过我们的CO₂激光焊接系统，我们扩展了现有原理背后的过程。基于其高度自动化的潜力，客户如今能够用上耦合效率最高的PICs。这样的产业融合，意味着生物光子学的应用领域的飞跃，也意味着量子通信和高性能光子学的飞跃。”