飛秒激光製備低彎曲損耗光波導技術獲關鍵突破

由於其獨特的任意三維造型的能力,飛秒激光直寫已成為製備光子集成晶元的熱點技術。例如,利用飛秒直寫技術製備的「光子燈籠」和光子晶元近來已經在天文光子學和光量子信息等重要領域得到應用。最近一項研究提出顯著降低激光直寫波導彎曲損耗的解決方案(參見圖1),為進一步實現低損耗和高密度的三維光子集成晶元提供了廣闊的前景。

圖1飛秒激光直寫低損耗高密度三維光子迴路的方案示意圖

研究相關的論文題為: 「Suppression of bend lossin writing of three-dimensional optical waveguides with femtosecond laserpulses」,為近期出版的2018年第7期SCIENCE CHINA Physics, Mechanics& Astronomy的文章,由中科院上海光機所廖洋副研究員和程亞研究員擔任通訊作者。

基於半導體光刻的光子集成技術極大地提升了高速信息處理的能力,正在引發一場光信息科學領域的革命。最近發展的飛秒激光直寫光波導迴路,彌補了現有半導體平面光子晶元在三維模場調控能力和三維光子迴路架構設計方面的不足,使得光波導與功能多樣的微流體、微電極、微機械結構的進一步集成成為現實。

目前,在石英玻璃中飛秒激光直寫光波導的傳輸損耗已達0.1 dB/cm的量級。但由於其對應的折射率變化量較小(~10?4),在彎曲部分會產生較大的輻射損耗。這不僅降低了光子集成的密度,也限制了三維光迴路設計的自由度,已成為飛秒激光直寫光波導技術實用化的關鍵瓶頸之一。

研究者利用飛秒激光在石英玻璃內部彎曲波導的兩側寫入多層堆疊結構,使波導區域形成局域緻密化併產生增強的結構應力,從而提高波導折射率,降低彎曲部分的輻射損耗。經過對堆疊結構幾何參數的優化選取,成功將彎曲半徑為15 mm的光波導的彎曲損耗從~3 dB減小到~0.3 dB,降幅達一個數量級。

該技術的突破使單一晶元上實施高密度的三維光子集成成為可能,標誌著飛秒激光直寫光波導技術向實用化邁出關鍵一步。

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