憑借晶圓級制造工藝，集成光子學領域近年發展迅速，在紅外（激光雷達和通信等應用）和可見光（深入新興應用領域，如顯示、光遺傳學和量子系統等）波段都已有報道集成光子學平臺和制造工藝。然而，這些進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，限制了其潛在的應用空間。

柔性集成光子晶圓有望使更多應用領域受益，例如貼合人體或衣物的可穿戴醫療監護設備和柔性顯示器等。受益于光子功能的可穿戴醫療保健監護設備可以佩戴于手腕（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，這些監測設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，已有一些關于柔性光子學制造的報道。實現柔性光子學的一種流行技術是異質集成，即首先在剛性襯底上制造器件，然后通過direct-flip或stamp-assisted工藝將器件轉移到柔性襯底上。另一種流行的技術是單片集成，即直接在柔性襯底上對器件進行圖案化，而柔性襯底則由剛性襯底臨時支撐。不過，這些現有柔性光子學僅限于單個器件或芯片規模的制造工藝，這限制了其可擴展性。

據麥姆斯咨詢介紹，美國麻省理工學院（MIT）的研究人員開發并實驗表征了第一個可以制造柔性光子晶圓及芯片的300毫米晶圓級平臺。首先，研究人員開發了300毫米晶圓級CMOS兼容的柔性平臺和制造工藝。接著，通過實驗演示了可見光波長下的關鍵光學功能，包括芯片耦合、波導路由和無源器件。實驗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工作波長下實現。

然后，研究人員進行了彎曲耐久性研究，以表征光子芯片的機械柔性。研究人員演示了將單個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，其光學性能沒有明顯下降。最后，研究人員通過實驗表征了彎曲柔性光子芯片所引起的偏振效應，比較了柔性芯片平放與圍繞兩個直徑不同圓柱體彎曲時的器件性能，發現輸出光的偏振會隨著芯片的彎曲而發生變化。

柔性光子芯片的制造工藝

柔性光子芯片的實驗表征

展望未來，研究人員將繼續開發這種晶圓級制造工藝，深入研究柔性光子芯片的特性。首先，研究人員將在平臺上引入晶圓級蝕刻切割溝槽，以實現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，以進一步降低波導傳播損耗；第三，對柔性光子芯片的機械性能進行進一步數值分析和實驗表征，包括量化楊氏模量、彈性常數和斷裂強度；第四，研究應變對波導光學特性的影響，進行數值模擬，并將模擬結果與彎曲引起的偏振旋轉的實驗結果進行比較；第五，探索芯片向另一方向彎曲的影響，由于波導受到的應力和應變不同，預計這將對偏振旋轉產生影響；第六，開發一套自動彎曲測試裝置，以便對芯片的耐久性進行嚴格的高通量表征；第七，設計更多量身定制的光子器件，進一步研究芯片彎曲對偏振和損耗的影響。

總體來說，這項研究成果為可擴展的柔性集成光子學制造鋪平了道路，推動集成光子學進入需要柔性光子芯片的新應用領域，例如與人體或織物相適應的可穿戴醫療監護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