超快咖 | 光集成芯片：提飞秒激光之笔，绘万物互联之芯

背景介绍

在电子器件的性能逼近摩尔定律极限的时候，光集成芯片受到了越来越多的关注。光集成芯片被认为具有更快、更大容量、更低功耗的信息传输和处理能力，为大数据、云计算、物联网、人工智能等新技术及应用的进一步发展提供了重要支撑。光波导是光集成系统中最基本的元件，而传统的光波导制备技术基本都只限于二维平面构造。 

1997年，邱建荣教授与合作者发现聚焦飞秒激光可以在各种玻璃内部诱导高度局域的折射率变化，并实现了模式可控的光波导的直写[1]。相较于传统光波导直写技术，飞秒激光直写可以实现光波导的任意三维空间排布。这就为构建高集成度光互连器件提供了一个快捷全新的方法。为了进一步提升飞秒激光直写的光波导及光互连器件的性能，推动其获得更广阔的应用，相关领域科研工作者开发了多种优化飞秒激光直写光波导技术。

近期，邱建荣教授课题组分别从光束整形技术、多次扫描技术、热处理技术和玻璃结构调控技术等方面全面总结了近些年全球科研工作者所开发的优化飞秒激光直写光波导技术，以及光波导在光集成器件应用方面所取得的成果，相关工作以Photonic circuits written by femtosecond laser in glass: improved fabrication and recent progress in photonic devices为题发表在Advanced Photonics 2021年第2期。  

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光束整形技术

聚焦之后的飞秒激光具有非常高的峰值功率密度，容易在透明材料内部诱导产生很强的非线性光学效应。光斑对称性变差，尤其是随着聚焦深度增加，沿激光传播方向拉升愈加明显，所以直写的光波导截面呈长条形，导致损耗变大，模斑对称性变差。

光束整形技术主要是通过改变入射飞秒激光的光斑形状和能量分布对光波导截面进行调控，从而获得高对称低损耗光波导，甚至可以在玻璃的深处写入性能很好的光波导。光束整形技术包括多种手段，比如狭缝整形、像散整形、时空聚焦以及空间光调制器整形等。

图1  飞秒激光焦点处能量分布（a）未采用及（b）采用光束整形技术；（c）未采用及（d）采用光束整形技术所直写的波导截面形貌

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多次扫描技术

多次扫描技术简单来说就是重复扫描写入。这个技术不仅可以用来控制光波导的截面尺寸和形状，还能增加波导区域折射率，也就可以实现对光传输模斑尺寸和损耗进行优化和调控。另外，多次直写扫描技术还可以减小波导的不均匀性，提高结果的可重复性。

图2  飞秒激光多次扫描直写的波导截面（a）及尺寸与损耗（b）

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热处理技术

飞秒激光直写的波导中往往存在部分残余应力，以及折射率的不均匀和各向异性分布。同时，波导周围区域的应力会降低波导和非波导区之间的折射率差。而热处理就可以很好的消除应力以及波导本身的不均匀性，从而提升光波导的性能。

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玻璃结构调控技术

玻璃结构调控技术主要是通过优化玻璃的缺陷结构和组分来获得质量更高的光波导。比如X射线预处理可以在玻璃体内引入更多缺陷结构，或者在玻璃中掺入有助于增加折射率的元素。以上两种方法都可以有效增加光波导的折射率，从而赋予光波导对光更强的约束力。

目前，飞秒激光直写的光波导在光耦合器件以及集成器件方面的应用越来越多。特别的，三维空间分布的光波导在拓扑物理、量子信息处理以及太空探测等方面具有独特的优势。飞秒激光直写光波导研究不仅加深了人们对光与物质相互作用的认识，也为光信息处理与器件应用带来了全新的理念。

图3  飞秒激光直写光波导在太空探测领域的应用

[1] K. Miura, J. Qiu, H. Inouye, T. Mitsuyu, K. Hirao. Photowritten optical waveguides in various glasses with ultrashort pulse laser. App. Phys. Lett., 7 (1997), p. 3329

编辑 | 皇甫

科学校对 | 浙江大学 谭德志

作者简介：本文第一作者为浙江大学青年教师谭德志博士。通讯作者为谭德志博士与邱建荣教授，目前均就职于浙江大学。邱建荣教授团队长期致力于超快激光与物质相互作用、新型光学功能材料及其器件、非线性光学等方面的研究。

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