看凹陷包层波导如何在集成光子学领域大放异彩
李萌1,2 张茜1,2 杨栋1,2 龚旗煌1,2,3 李焱1,2,3
1北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室
2北京大学纳光电子前沿科学中心
3山西大学极端光学协同创新中心
飞秒激光制备如今已经发展成为一种高效的三维微纳加工技术，在多个领域得到广泛关注。1996年，日本京都大学首先发现聚焦飞秒激光的辐照可以引起玻璃折射率增大，并将该现象应用于光波导的制备。随后,飞秒激光直写技术被引入玻璃、晶体、聚合物、陶瓷等多种透明介质材料中以加工多种类型的光波导，飞秒激光加工光波导的应用范围得到极大拓展。
凹陷包层波导在发现初期并没有得到很多关注，而近些年其独特的性质和在各领域的应用又引起研究人员的重视。凹陷包层波导芯区保留了材料原本的性质,可以传播横电(TE)和横磁(TM)两种偏振模式,在集成光子学领域具有重要的发展潜力。
飞秒激光直写光波导的类型
根据波导芯区和包层的形成方式，飞秒激光在透明介质中加工的光波导一般可分为以下三种类型（如图１）：I型(激光照射区折射率增加，形成波导芯区)；II型(激光照射区折射率减小，诱导周围应力分布)；凹陷包层波导。
根据所诱导折射率的变化分类，凹陷包层波导似乎应被归为II型应力诱导波导，但其实它们在几何结构和波导性能方面有着显著的差异。
图1 飞秒激光直写光波导的三种类型及对应端面形貌。(a)I型;(b)II型;(c)凹陷包层型波导
I型波导
I型波导的导光区直接产生于飞秒激光诱导的改性区域处，如图1(a)所示，飞秒激光焦点改性区引起材料折射率增大，形成波导芯。这种折射率增大现象常见于大多数玻璃等非晶态材料中。激光照射区直接形成波导，便于直写二维和三维的复杂波导器件，比如Y型分束器、定向耦合器、波导阵列和光栅等。
在晶体中，I型波导形成机制更为复杂，该类型波导仅能在铌酸锂、Nd:YCOB和硒化锌(ZnSe)等少数几种晶体材料中得以实现。
此外，I型直写波导通常不具备热稳定性，在高温下折射率变化现象甚至会完全消失，所以不能应用于大功率波导器件。
II型波导
应力诱导II型波导的导光区位于飞秒激光焦点扫描轨迹的邻近区域，如图1(b)所示。
在通常情况下,激光扫描形成两条分离的平行轨迹，波导芯位于这两条轨迹中间，被称为“双线”或“双轨”波导结构，这也是大多数应力诱导波导的几何结构。应力诱导的双线波导在高温条件下非常稳定，有利于高功率波导器件的制备。
凹陷包层波导
凹陷包层波导未被激光改性的波导芯,被数量众多折射率变低的损伤轨迹包围，如图1(c)所示。
凹陷包层波导的形成方式和应力诱导波导类似，但也有明显的区别。对于凹陷包层波导，理论上轨迹线可以排布出任意几何形状的波导截面，但圆形截面更容易与光纤对接，所以应用最广。
波导的直径大小也可以灵活调控，从而支持从可见光到近红外甚至中红外波段光的传输，导模也可以从单模变化到多模。凹陷包层波导的一个非常重要的优点是在大多数晶体中都支持TE、TM两种偏振模式，所以适用于偏振无依赖的抽运光源或基于相位匹配的频率转换器。此外，在接近材料表层制备的表面凹陷包层波导中容易引入额外的损耗，比如覆盖可饱和吸收体，适合应用于调Q脉冲激光系统。
凹陷包层波导具有独特优势和广泛的应用前景，研究人员开展了多方面的研究工作，包括加工波导的材料、波导包层的结构、波导实现的功能、基于焦场整形技术的快速制备、以及在天文学中红外波段波导激光器、光栅和天体调零干涉仪中的应用等方面的研究。
制备凹陷包层波导的材料
为了实现凹陷包层波导的制备,用于加工波导的材料折射率需要在飞秒激光照射后减小,大多数的晶体材料以及少数几种玻璃和透明陶瓷材料满足这个要求。
玻璃材料
ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)玻璃是一种重金属氟化物玻璃，在近红外到红外波段具有很高的透明度，色散和温度依赖性都较低。ZBLAN玻璃成为为数不多的制备凹陷包层波导的理想玻璃材料，如图2。
图2 飞秒激光在ZBLAN 玻璃中直写的低折射率轨迹数量不同的波导结构
碲酸盐玻璃以TeO２为主要成分，往往通过加入一些氧化物和卤化物来提高玻璃的形成能力和稳定性。碲酸盐玻璃具有较低的毒性、良好的化学和热稳定性以及抗腐蚀能力,红外透过窗口较宽、玻璃转变温度较温和、声子能量较低、折射率较高，其可应用于集成非线性光子学领域。
光热折变(PTR)玻璃是一种光敏多组分硅酸盐玻璃，其中掺杂了银(Ag)、铯(Ce)、氟(F)和一系列其他元素。PTR玻璃具有很好的光热性能、热稳定性、机械稳定性、高光学损伤阈值以及很宽的透明光谱范围。图3为飞秒激光在PTR玻璃中直写制备的具有不同截面直径的凹陷包层波导的显微图。
图3 飞秒激光在PTR玻璃中直写制备的具有不同截面直径的凹陷包层波导的显微图
晶体材料
Nd:YAG晶体是一种具有重要实用价值的激光晶体，具有稳定的物理和化学性质、高热导率和宽透射光谱范围，而且三种类型的光波导都可以在这种晶体中得以实现。凹陷包层波导的首次飞秒激光直写制备就是在该晶体中实现的。除了Nd离子,在YAG晶体中还可以掺杂Yb、Er、Tm和Cr等多种活性离子，用于制备凹陷包层波导。
铌酸锂(LiNbO3)是光子学中应用最为广泛的晶体之一。纯铌酸锂晶片能够用于被动器件中的信号传输和主动器件中的电光调制，掺杂稀土离子比如Nd、Er的铌酸锂晶片非常适用于制备激光源和光学放大器，掺杂铁或铜离子的铌酸锂有利于实现光折变波混频和信息存储，而周期性极化铌酸锂(PPLN)能够实现高效变频和准相位匹配。
铌酸锂晶体也是很早就用于飞秒激光直写光波导研究的材料之一，可以实现三种类型光波导的加工。凹陷包层铌酸锂波导于2013年首次被报道(图4)，它可以支持两种正交偏振模式的传播。
图4 在铌酸锂晶体中制备的四种凹陷包层波导的截面光学显微图，红圈标示波导位置
ZnS晶体具有较高的折射率透明窗口很宽，是一种极好的可用于中红外波导器件的光学材料。在激光照射区形成的损伤轨迹的折射率也会减小。因此,ZnS晶体也可以用于制备凹陷包层波导(图5),且可支持TE和TM两种偏振模式，但是包层折射率改变量对不同偏振存在差异。
图5 ZnS晶体中具有不同直径的凹陷包层波导
蓝宝石晶体是最硬且耐腐蚀能力最强的光学材料之一，透光范围为0.14-6 μm ，在3-5 μm的中红外波段具有很高的光学透过率，还具有很好的热导率和很高的熔点，因此由蓝宝石制作的窗口片和传感光学元件可以工作于高真空、高温等苛刻条件下。纯的蓝宝石不易加工，因此常会掺杂一些 Ti3+离子来降低光学损伤阈值，从而便于飞秒激光直写加工，掺杂 Ti3+离子的蓝宝石凹陷包层波导还可以作为集成光学器件的荧光光源。
在光子学领域，金刚石因其独特的光学性质而逐渐得到关注，比如它具有高折射率、高热导率、宽透射光谱窗口和高拉曼系数。在室温下，金刚石氮空位(NV)色心可以作为单光子源，这使其成为光量子信息研究的极好平台。
由于金刚石是自然界最硬的物质，因此利用飞秒激光直写对其进行加工也存在一定挑战。到目前为止，在单晶金刚石中有II型双缝波导的报道，而在多晶金刚石中则实现了凹陷包层波导的制备，如图6所示。
图6 飞秒激光在多晶金刚石内部直写的凹陷包层波导
波导加工扫描方式
随着飞秒激光直写制备凹陷包层波导的不断发展,人们在加工方式方面也在不断探索,加工扫描方式包括平移扫描、螺旋扫描及焦场整形快速扫描等。
平移扫描：是飞秒激光加工凹陷包层波导最常用的加工方式（图7）。这种横向平移扫描方式具有简单、灵活的优点，因此目前绝大多数的凹陷包层波导都是利用这种方法制备的。但这种方式相当耗时，随着损伤轨迹数量和器件复杂度的增加，其加工时间会大大增加。
图7 三种飞秒激光直写加工方式
螺旋扫描：利用纵向螺旋扫描法可以得到包层连续、传播损耗低、导光性能优越的凹陷包层波导，而且传输损耗也更低，大大缩短了凹陷包层波导的制备时间。但是纵向螺旋扫描制备的波导的长度会受到限制，相比横向平移扫描欠缺灵活性。
焦场整形快速扫描：在快速制备凹陷包层波导方面，还可以采用焦场整形的方法来提高加工速度，这里将主要介绍基于相位调制的焦场整形方案。
在纵向扫描机制下,可以通过聚焦高阶无衍射贝塞尔光束生成空心管状光束的方法来制备具有圆形截面的凹陷包层波导；基于强度呈环状分布的焦场，可以利用纵向扫描方式直写管状凹陷包层波导；在横向扫描机制下，也可以采用焦场整形的方式，通过特殊设计的焦场大幅度提高凹陷包层波导的制备速度。
上海光学精密机械研究所的程亚课题组根据狭缝整形展宽焦场的原理，在空间光调制器上加载具有狭缝形状且含有闪耀光栅的相位板，通过改变相位板中的缝宽，实现了聚焦光斑纵横比的大范围调节,如图8所示。
图8 实验装置示意图，内插图为实现竖直线和水平线的相位板
本课题组在通过焦场整形实现凹陷包层波导的快速制备方面也作了一些探索（如图9所示），实现了通过单次横向扫描即可完成凹陷包层波导的制备，进一步缩短了加工时间。具有圆环状包层结构的波导在加工空间波导网络时具有很大的几何灵活性，而且商用光纤的截面也都是圆形的，容易实现波导-光纤的高效耦合，所以圆环形焦场的实际应用价值更大，也是科学研究的重点。
图9 利用离散圆环焦场制备的凹陷包层波导的光学显微图和导模。
凹陷包层波导的应用
在飞秒激光直写凹陷包层波导的众多工作中, 包层结构也因不同的加工条件、不同的功能而呈现不同的形貌，这也进一步说明了凹陷包层波导截面设计的灵活性。主要有三种包层结构：任意形状的单包层结构、多包层结构、光学晶格的包层结构。
在可以直写任意形状单包层结构的基础上，凹陷包层波导可以与具有不同截面形状和大小的集成光学器件耦合，包层结构也可以向多包层结构、光学晶格包层结构等特殊的包层结构扩展，实现更多新功能，充分发挥凹陷包层波导截面设计的灵活性与便捷性。
正是由于凹陷包层波导的这些优点和特性，因此在制备波导激光器、电光调制器件、集成光子学器件等方面发挥着重要的作用。
波导激光器
凹陷包层波导最基本也是最常见的应用就是制作波导激光器。波导激光器具有紧凑的尺寸、较低的阈值和良好的输出性能，因此在光电子领域具有重要的应用价值。
目前，在Tm:ZBLAN玻璃、 Nd:YAG晶体、Nd:YVO4晶体、Nd:YAP晶体、Nd:LGS晶体、Fe:ZnSe晶体以及Nd:YAG透明陶瓷等多种材料体内制备得到的凹陷包层波导都可以用来制作波导激光器。
由Fe:ZnSe晶体中凹陷包层波导构成的波导激光器还可以将发射波长扩展到4.12μm，这是目前利用飞秒激光直写制备的凹陷包层波导激光器发射的最长波长。另外，利用双包层结构还可以进一步提高波导激光器的性能和模式质量。
频率转换器件
利用非线性光学晶体直写的凹陷包层波导，还可以制备频率转换器件，最典型的频率转换器件就是将基频光转换成二倍频光，拓宽激光光源的波长范围(如图10)。
图10 在非线性Nd:YCOB晶体中制备的凹陷包层结构截面
凹陷包层波导为非线性频率转换所需要的基于双折射的相位匹配条件提供了保障，可以实现I型和II型相位匹配，在周期性极化晶体里还可以通过准相位匹配实现二倍频过程。
温度传感器件
凹陷包层波导在温度传感方面展现出了独特的功能，将来会在片上实验室领域发挥作用。比如，在常用晶体(比如 Nd:YAG 晶体)中直写的小体积凹陷包层波导更便于集成到光学系统中，可以避免交叉敏感的问题，而且在Nd:YAG晶体中直写的凹陷包层波导无偏振依赖性，可以排除激光偏振的影响，从而提高传感的准确度。
波导光栅滤波器
在凹陷包层波导的芯区写入布拉格光栅，利用周期性的光栅结构对光的传播进行控制，可以实现波导光栅滤波器的功能。波导芯区的布拉格光栅也可以利用飞秒激光直写进行逐点扫描来实现。在铌酸锂晶体凹陷包层波导中也可以写入布拉格光栅，并利用电光效应调谐光栅。
集成光子学器件
由飞秒激光直写的凹陷包层波导构成的集成光子学器件，也得到了研究人员的广泛关注。所制备的器件种类也在与日俱增，从最基本的直波导、Y型分束器和定向耦合器，到Mach-Zender(MZ)干涉仪，再到三维分束器、模场变换器、电光可调谐定向耦合器等复杂器件。
模场变换器是基于锥状圆形凹陷包层波导实现的，图11。该波导的离散圆形包层是通过横向平移扫描法在Nd:YAG晶体中制备的,因此包层的形状和大小可以灵活调控。
图11 模场变换器
基于Y型分束器的器件：由凹陷包层波导构成的光学分束器有很大一部分是基于Y型结构制备的，其中还分为埋覆式凹陷包层波导分束器(结构全部在材料内部)和表面凹陷包层波导分束器。
此外，在铌酸锂晶体、蓝宝石晶体中也可制备这种埋覆式Y型分束器。在LiTaO3晶体中制备的表面包层波导Y型分束器，可满足光电子领域中波导接近表面的需求。
基于定向耦合器的器件：由凹陷包层波导构成的光学分束器还有一部分是基于定向耦合器(DC)的结构制备的。由I型波导构成的定向耦合器是集成光量子芯片中的重要组成元件，由定向耦合器和相移器构成的光学分束器网络在量子计算、量子模拟、量子通讯等领域发挥着重要的作用。而由凹陷包层波导构成的定向耦合器目前还处在研究起步阶段，但也将在未来集成光子学领域发挥重要作用。
结 语
飞秒激光直写技术可以在玻璃、晶体、陶瓷等多种材料中制备凹陷包层波导，可以通过横向平移扫描和螺旋扫描制备，还可以利用焦场整形技术横向扫描快速制备，大大减少加工时间。
凹陷包层波导的包层结构，可以灵活设计以实现任意形状的截面，更好地与集成光子学器件进行匹配。多包层结构和光学晶格包层结构的引入还可以提高波导性能，改善模式质量。
凹陷包层波导的导光区完美保留了材料原本的性质，圆形包层结构的波导还可以传输TE和TM两种偏振模式，无偏振依赖性，从而为制作波导激光器和基于双折射相位匹配、准相位匹配的频率转换器件提供了良好的平台。凹陷包层波导还可以用于温度传感，制备波导光栅滤波器和集成光子学器件，其丰富多样的功能和应用使其具有极大的发展潜力。
然而，凹陷包层波导目前还存在传输损耗偏高、器件尺寸较大、加工时间长等问题，这在一定程度上限制了其在集成光子学领域的普遍应用。焦场整形技术可以提高凹陷包层波导的制备速度，但是在波导截面的灵活性、包层结构质量的提高、耦合区域焦场的动态切换等方面仍面临着挑战。
随着飞秒激光三维微纳制造和焦场整形等技术的快速发展，凹陷包层波导的加工水平和器件性能会越来越高，必将在未来集成光子学领域大放异彩。
本文改写自：李萌、张茜、杨栋等.飞秒激光加工凹陷包层波导及其应用[J].激光与光电子学进展，2020，57(11):111427