由于其独特的任意三维造型的能力, 飞秒激光直写已成为制备光子集成芯片的热点技术。例如, 利用飞秒直写技术制备的“光子灯笼”和光子芯片近来已经在天文光子学和光量子信息等重要领域得到应用。最近一项研究提出显著降低激光直写波导弯曲损耗的解决方案(参见图1), 为进一步实现低损耗和高密度的三维光子集成芯片提供了广阔的前景。

图1 飞秒激光直写低损耗高密度三维光子回路的方案示意图

研究相关的论文题为: “Suppression of bend loss in writing of three-dimensional optical waveguides with femtosecond laser pulses”, 为近期出版的2018年第7期SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy的文章, 由中科院上海光机所廖洋副研究员和程亚研究员担任通讯作者。

基于半导体光刻的光子集成技术极大地提升了高速信息处理的能力, 正在引发一场光信息科学领域的革命。最近发展的飞秒激光直写光波导回路, 弥补了现有半导体平面光子芯片在三维模场调控能力和三维光子回路架构设计方面的不足, 使得光波导与功能多样的微流体、微电极、微机械结构的进一步集成成为现实。

目前, 在石英玻璃中飞秒激光直写光波导的传输损耗已达0.1 dB/cm的量级。但由于其对应的折射率变化量较小(~10⁻⁴), 在弯曲部分会产生较大的辐射损耗。这不仅降低了光子集成的密度, 也限制了三维光回路设计的自由度, 已成为飞秒激光直写光波导技术实用化的关键瓶颈之一。

研究者利用飞秒激光在石英玻璃内部弯曲波导的两侧写入多层堆叠结构, 使波导区域形成局域致密化并产生增强的结构应力, 从而提高波导折射率, 降低弯曲部分的辐射损耗。经过对堆叠结构几何参数的优化选取, 成功将弯曲半径为15 mm的光波导的弯曲损耗从~3 dB减小到~0.3 dB, 降幅达一个数量级。

该技术的突破使单一芯片上实施高密度的三维光子集成成为可能, 标志着飞秒激光直写光波导技术向实用化迈出关键一步。

该项研究得到了国家自然科学基金重大项目(61590934),上海市科学技术委员会重大项目(17JC1400400)和国家重点基础研究发展计划(2014CB921303)资助。

更多详情请阅原文:

Z. M. Liu, Y. Liao, Z. W. Fang, W. Chu, and Y. Cheng, Suppression of bend loss in writing of three-dimensional optical waveguides with femtosecond laser pulses, Sci. China-Phys. Mech. Astron. 61, 070322 (2018), https://doi.org/10.1007/s11433-018-9202-0

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