科学家研制三维光波导，光信号传输带宽大于，推进对于传统二维光子芯片的全系统替代

作为宁波大学的特聘副研究员，钟理京和光学的结缘要从读研期间说起。

他硕士毕业和博士毕业先后于华中科技大学和俄罗斯圣得堡国立信息技术机械与光学大学。

这两所学校在光学领域都颇有建树，而在博士毕业之后他回国加入宁波大学任职。

图|钟理京在博士答辩之后和同事的合影（来源：钟理京）前不久，他和合作者在三维光子光路上取得了一项重要成果，即成功打造出一种三维光波导，其具备渐变折射率和任意可变的截面。

（来源：Light：Science&Applications）钟理京表示：“通过本次研究我们提供了一种在三维集成光子光路中实现超宽带、低色散耦合的有效途径。相比传统的平面光波导器件，我们的方法在片上传输和操纵强非线性激光脉冲上，展现出压倒性的优势。”

通过此，他和合作者实现了自由形状横截面结构的制造，在三维光子芯片上展示了模式转换操控和超短激光脉冲操控，为三维光子器件的定制化设计提供了更多可能性。

此外，本次三维光子芯片所展示的超宽工作带宽能力和弱色散能力，可以避免发生信号失真的情况，而这正是当前飞秒信号操控所迫切需要的。

总的来说，对于实现更复杂的片上光操控、以及解决大规模三维波导阵列的深度补偿等问题，本次成果迈出了重要一步。

同时，本次成果也展示了三维玻璃芯片在传输、操纵超宽带线性和非线性激光上的独特优势。

钟理京认为它会促使人们重新思考基于透明玻璃和晶体材料来构建复合集成三维光学芯片的可能性，从而推进对传统二维光子芯片的全系统替代。

图|具备渐变折射率和任意可变截面的三维光波导（来源：Light：Science&Applications）光学工程师的共同梦想

据了解，对于任何一位光学工程师来说，他们都希望能将庞大的光学系统特别是激光光学系统，小型化到桌面尺寸，甚至能够将其集成到一个厘米大小的光学芯片里。

从应用角度来看，假如可以实现光学系统的小型化，就能实现多种功能的光学系统的复合集成，从而提高光学系统的机械稳定性。

另一方面，对于复合集成三维光子芯片来说，它能打通几何光学设计、自由空间物理光学、导波光学、甚至量子光学之间的理论鸿沟，从而为光学系统设计提供更多的自由度。

因此，光学领域研究者们一直在不断开发精密的加工技术，以期实现具有复杂形状和复杂微纳结构的光学器件的快速制造。

同时，他们也一直在寻找一种超宽带、高损伤阈值的“宽容型”基底材料，以便实现多种功能器件的一体化集成。

飞秒激光加工技术，是一种同时具备三维加工能力和纳米精度的快速制造技术，此前已被广泛用于精密工业加工和前沿科学领域。

对于构建复合集成三维光子芯片来说，飞秒激光直写光波导是最具前景的一种光波导平台。

原因在于：其拥有三维的几何结构、较宽的透明窗口、以及较低的耦合色散等特性。

但是，无论是使用传统的平面光刻技术，还是使用飞秒激光直写技术，依然无法针对波导折射率分布实现精细控制。

这就导致此前没有任何一项技术手段，能够以空间选择性的方式，改变基底材料的折射率。针对这一光学工程难题，钟理京和合作者开展了本次研究。

（来源：Light：Science&Applications）“这一定是一个重要发明”

钟理京表示：“我们的想法很朴素：即能否把气体激光器谐振腔设计中所采用的模式选择现象或模式竞争现象及其理论，用于光波导模式转换器中之，从而实现高纯度、高阶模式的转换？”

为了实现这一目标，在设计波导的截面形状和折射率发布的时候，他们特意将其设计得和高阶模式强度分布互为匹配。

这样一来，就能减小特定高阶模式的传输损耗，并能增大其他模式的损耗，从而达到提高模式纯度的目的。

后来，他们成功造出一款三维光波导器件，实现了超连续激光脉冲的低色散、以及高纯度的模式转换。

在210nm宽带上，该器件的耦合比最大偏差低于0.1dB，模式提取因子大于20dB。

钟理京表示：“研究伊始，我们将本次研究定位为一个探索性质的课题，并没有对器件性能有着很高期待。但是，实际加工出来的器件，在性能上一次又一次地超出了想象。”

他继续说道：“在我们的古板印象里面，飞秒激光刻出的波导截面都是难以被精细控制的，形状和微观结构也是不规则的。”

然而，当他们加工出“花瓣”一样的波导截面时，所有人都感到非常兴奋。

因为，他们清楚地意识到本次成果实现了包括光刻技术在内的传统技术所难以实现的任意截面形状和折射率分布。

“所以这一定是一个重要的技术发明。并且，令人惊讶的是我们在实验中证实：本次技术不仅适用于多种组分玻璃，甚至也能适用于单晶晶体[1]。”

利用本次技术，科学家研制三维光波导，光信号传输带宽大于，推进对于传统二维光子芯片的全系统替代他们开发出一种能以复杂折射率分布的三维光子器件制造工艺。

该工艺能够实现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能被控制在50纳米之内，比此前同类成果低了将近一个数量级。

图|三维玻璃光波导和传统平面波导的带宽比较（来源：Light：Science&Applications）日前，相关论文以《激光写入波导的精确模式控制，用于宽带、低色散的三维集成光学》（Precisemodecontroloflaser-writtenwaveguidesforbroadband,low-dispersion3Dintegratedoptics）为题发在Light：Science&Applications（IF20.6）。

YuyingWang是第一作者，钟理京、浙江实验室的ZhiChen教授、ZhijunMa教授和DezhiTan教授，以及浙江大学JianrongQiu教授担任共同通讯作者。

图|相关论文（来源：Light：Science&Applications）不过，钟理京坦言：本次技术并不能增加三维波导器件的工作带宽。

原因在于：三维玻璃波导的低耦合色散源于以下两个因素：第一，玻璃材料在近红外波段的低色散；其二，三维波导以弱耦合方式工作，其耦合长度为毫米级。

因此，后续他们计划将研究方向聚焦于开发玻璃基三维光子芯片，通过实验演示在微纳米尺度上传输和操纵超短激光脉冲的可能。

事实上，这一新的研究计划也基于他们对集成光学和非线性光学研究现状的判断：即尽管人们发现了大量新的奇异二维非线性材料和结构，但是仍然依赖于少数成熟的平面波导光学平台。

这些平台通常基于晶体材料、半导体材料、有机聚合物、以及金属等离子体结构。

从材料角度来看，所有这些平台都存在带隙窄、光色散大、透明窗口有限的问题，导致它们无法在没有显著的时域和频域失真的情况下，实现超短激光脉冲的传输和操纵。

相比之下，玻璃波导（比如光纤）被视为是一种“宽容型”平台，因此可以通过结构设计的方式，来增强或抑制光传播路径上的非线性光学效应。

另外，基于本次发明的飞秒激光加工技术，也让钟理京和合作者积累了部分技术优势。

钟理京表示：“未来在大规模、多功能三维光子光路的设计和加工领域，我们有望达到国际领先水平。

目前，我们正在和中科大、南大、南开和港城大等团队开展合作，力求在三维拓扑光学和光量子计算研究中取得突破。”

参考资料：

1.Adv.Mater.(2024)2404493

2.Wang,Y.,Zhong,L.,Lau,K.Y.etal.Precisemodecontroloflaser-writtenwaveguidesforbroadband,low-dispersion3Dintegratedoptics.LightSciAppl13,130(2024).https://doi.org/10.1038/s41377-024-01473-7

运营/排版：何晨龙