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渐变折射率、可变截面3D光波导——实现超短激光脉冲的芯片级模式操控

2024-11-19 15:49:04浏览:417来源:中国激光网   
 飞秒激光直写技术是一种同时具备三维(3D)加工能力和纳米精度的快速制造技术,被广泛应用于精密工业加工和前沿科学研究。其中,飞秒激光直写光波导因其3D几何结构、宽透明窗口和低耦合色散等特性,成为构建“复合集成3D光子芯片”的最具前景的光波导平台。然而,从根本上,无论是基于传统的平面光刻技术还是当前的飞秒激光直写技术,对波导折射率分布的精细控制仍然遥不可及,其主要原因是缺乏一种有效的技术手段可以空间选择性地改变基底材料的折射率。

近日,针对这一长期存在的光学工程难题,浙江大学邱建荣教授团队在飞秒激光制造渐变折射率和任意可变截面的3D光子光路上取得重要进展:研究团队通过开发一种精细的飞秒激光直写方法,即重叠控制的多次扫描(OCMS)技术,通过准确地控制激光辐照区域内的热积累效应和激光扫描轨迹间的重叠度来定制3D波导的折射率分布和截面形状。并且令人惊讶的是,研究团队实验证实该技术适用于多种组分玻璃,甚至是单晶晶体(Adv. Mater. (2024) 2404493)。利用OCMS技术,研究团队开发了复杂折射率分布3D光子器件的制造工艺,该工艺可实现10-5量级的折射率修饰精度,同时折射率修饰单元的最小宽度可以控制到50 纳米,比之前报道的结果(>0.4 微米)低近一个数量级。基于这一技术进步,我们演示了 (1) 高加工鲁棒性和超低耦合损耗的单模波导,(2) 高纯度高阶模式转换的宽带耦合,以及 (3) 超短激光脉冲的芯片级模式操控。特别地,我们实现了超连续激光脉冲的低色散、高纯度模式(LP21)转换,其耦合比在210 nm(931-1141 nm)宽带上的最大偏差小于0.1 dB,模式提取因子大于20 dB。总体而言,该技术提供了一种在3D集成光子光路中实现超宽带、低色散耦合的有效途径,与传统的平面光波导器件相比,在片上传输和操纵强非线性激光脉冲方面展现出压倒性的优势,使其成为构建下一代复合集成3D光子光路的有力工具。

该研究成果以“Precise mode control of laser-written waveguides for broadband, low-dispersion 3D integrated optics”为题,于2024年6月4日在线发表在光学领域顶尖期刊 Light: Science & Applications上。

本工作的完成单位为浙江大学光电学院、宁波大学信息学院“Light+X”交叉科学与技术研究院、俄罗斯科学院Dianov光纤中心、之江实验室和香港城市大学电机系。浙江大学光电学院博士研究生王宇莹和宁波大学信息学院钟理京博士为论文第一作者,通讯作者为浙江大学邱建荣教授、宁波大学钟理京特聘副研究员,之江实验室陈智副研究员、马志军研究员和谭德志研究员。苏州大学光电学院LAU Kuen Yao(刘坤耀)副教授,浙江大学光电学院博士研究生韩旭虎、杨弈、胡嘉澄,俄罗斯科学院Sergei Firstov研究员为本工作的实验数据收集做出了重要贡献。香港城市大学CHIANG Kin Seng(鄭建成)教授和浙江大学童利民教授审阅了手稿并对工作进行了指导。这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省尖兵”“领雁”研发攻关计划、浙江省自然科学基金的资助。

1.论文信息

完成单位:浙江大学、宁波大学、俄罗斯科学院Dianov光纤中心、之江实验室和香港城市大学

Y. Wang, L. Zhong, K. Y. Lau, X. Han, Y. Yang, J. Hu, S. Firstov, Z. Chen, Z. Ma, L. Tong, K. S. Chiang, D. Tan, and J. Qiu, "Precise mode control of laser-written waveguides for broadband, low-dispersion 3D integrated optics," Light Sci. Appl. 13, 130 (2024). (https://doi.org/10.1038/s41377-024-01473-7)

2.通信作者介绍

邱建荣,浙江大学光电学院教授,信息学部副主任。研究方向为激光与物质相互作用以及光功能材料与器件,在Science、Nature Photonics、Nature Commun.、Light Sci. & Appl.、Phys. Rev. Lett.、Advanced Materials、J. Am. Chem. Soc.、Nano Lett.、Angew. Chem. Int. Ed.和ACS Nano等期刊发表论文500余篇,论文SCI被引超过37500次。曾获德国Abbe基金Otto-Schott研究奖,美国陶瓷学会Morey奖。1项成果入选中国科学十大进展,6项成果入选中国光学十大进展。入选美国光学学会Fellow、世界陶瓷科学院院士。

(责任编辑:CHINALASER)
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