飞秒激光“笔”——直写三维光波导结构
【山东大学陈峰教授团队】

 

光波导是集成光学系统的基本结构,其导波传输特性能够有效地消除光束发散,可以在较长的传输长度上保持较高的光密度和均一的导波模式,有利于增强光与波导材料的相互作用并提升基质原有的光学性能。因此,在不同光学材料基质中制备低损耗、结构灵活的光波导结构,进而实现多功能、高性能的有源/无源混合波导光学器件一直是集成光子学的研究热点。
光学晶体材料由于其多样的晶格结构可以展现丰富的光学特性,是搭建多功能集成光路的理想平台。由于传统波导制备工艺的局限性以及晶体材料结构的复杂性,在晶体材料中构建三维光波导结构通常较为困难,而近年来快速发展的飞秒激光直写技术则为解决这一难题提供了有效的解决方案。
利用聚焦的飞秒激光束与物质相互作用效应,可诱导透明介质材料中局部区域的折射率变化。通过对衬底材料进行扫描可以实现高灵活度、高精度、操作简便的三维微加工,从而制备结构灵活、精细的通道型光波导结构光子学器件,使光波导和晶体材料的光学性能和集成特性能够最大程度上得到发挥。

为了充分利用飞秒激光直写三维微加工的特性,研制结构灵活的晶体光波导结构,首先需要了解在晶体材料中几种基本的飞秒激光直写光波导结构,在此基础上,再通过合理的几何图形设计以及精细的加工参数控制,制备并研究晶体中三维光波导结构的几何类型和光学性能,并进一步拓展其在多功能、复杂化集成光子学系统中应用。

山东大学陈峰教授课题组针对此研究课题撰写综述文章并展开了一系列讨论。该论文在飞秒激光直写的技术灵活性、晶体波导结构的多样性(主要包括“单线型”、“双线型”、“包层”等几何结构)以及基于不同晶体波导结构分别衍生出来的三维波导类型的制备方案的可行性(如图1所示)等多个方面综述了飞秒激光直写晶体光波导的主要前沿研究,系统地总结了基于晶体三维光波导的系列应用进展,包括电光调制器、波导激光器、非线性频率转换器等紧凑型器件,同时展望了晶体三维波导结构在集成光子学、光量子存储、天体光子学等方面的应用前景,并分析了该研究在现阶段集成光子学和微纳光子学中所扮演的独特角色以及在实际应用方面仍存在的挑战。

图1 (a)基于飞秒激光直写“单线型”光波导研制的三维波导分支器示意图;(b)基于飞秒激光直写“包层”光波导研制的三维导波微结构示意图:光束分支器和光束整形器

该综述以“Femtosecond laser direct writing of flexibly configured waveguide geometries in optical crystals: fabrication and application”为题发表在英文刊Opto-Electronic Advances 2020年第10期。

研究团队简介

山东大学物理学院陈峰教授(国家杰青)团队主要从事基于功能性光学晶体的薄膜及微纳光子学器件方面的研究。利用飞秒激光微加工和离子束材料改性等多种微纳加工技术,团队近年来一直致力于在多种晶体材料中研制功能性微纳光子学结构和器件,实现了如波导激光器、非线性光学频率转换器、波导放大器等应用,拓展了超快激光束和载能离子束等加工技术在微纳光子学领域的实用性,取得了重要的研究进展。团队先后获得省部级科技奖励两项,发表SCI收录论文300余篇,获得多项国家发明专利,在国际晶体波导器件的研究领域长期保持领先水平。团队现有教授和研究员4人,副教授1人,高级实验师1人,现承担国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点、面上项目等多项研究项目。

相关论文

Jia Y C, Wang S X, Chen F. Femtosecond laser direct writing of flexibly configured waveguide geometries in optical crystals: fabrication and application Opto-Electron Adv 3, 190042 (2020).

DOI: 10.29026/oea.2020.190042