牛津大學(xué)的研究人員利用飛秒激光在藍(lán)寶石中寫(xiě)入數(shù)百個(gè)波導(dǎo)，表明藍(lán)寶石光子芯片具有現(xiàn)實(shí)可行性前景。

圖1：4cm長(zhǎng)的藍(lán)寶石集成光子芯片。

光子集成電路（PIC）需要將光子器件緊湊地集成在體襯底材料上，目前使用的體襯底材料主要是玻璃。玻璃具有自身的局限性，因此英國(guó)牛津大學(xué)的研究人員正在探索使用藍(lán)寶石作為玻璃的替代襯底材料。

在藍(lán)寶石中構(gòu)建高質(zhì)量的集成光子學(xué)電路，可以為通信、傳感或量子計(jì)算等應(yīng)用開(kāi)辟諸多新的可能性。

“任何緊湊型光子電路的基本構(gòu)建模塊都是波導(dǎo)，”牛津大學(xué)工程科學(xué)系的研究人員Mohan Wang說(shuō)，“我們可以使用激光制造，在藍(lán)寶石中按照設(shè)計(jì)的圖案‘寫(xiě)入’波導(dǎo)陣列。當(dāng)我們將光注入波導(dǎo)陣列中時(shí)，光沿著設(shè)計(jì)的路徑傳播，這樣我們就可以在藍(lán)寶石中寫(xiě)入數(shù)百個(gè)波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的功能。”

飛秒激光器在藍(lán)寶石中寫(xiě)入波導(dǎo)

飛秒激光可以將這些波導(dǎo)寫(xiě)入大塊材料中，因?yàn)轱w秒激光具有極高的強(qiáng)度，并且可以聚焦到微米尺度。“這會(huì)導(dǎo)致焦點(diǎn)體積中材料內(nèi)部的非線性電離，從而導(dǎo)致折射率的變化。”Wang說(shuō)，“通過(guò)飛秒激光和藍(lán)寶石塊體材料（安裝在三維納米精密平臺(tái)上）之間沿著設(shè)計(jì)軌跡的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就可以在藍(lán)寶石襯底上寫(xiě)入我們?cè)O(shè)計(jì)的集成光子學(xué)路徑。”

波導(dǎo)是由相對(duì)于其周?chē)鷧^(qū)域具有較高折射率材料的區(qū)域形成的，而集成光子學(xué)中最常見(jiàn)的材料是玻璃。

“將玻璃暴露在飛秒激光下會(huì)增加其折射率，因此通過(guò)沿著樣品內(nèi)部掃描激光來(lái)寫(xiě)入波導(dǎo)是很簡(jiǎn)單的。”Wang說(shuō)，“但是在藍(lán)寶石晶體中，激光會(huì)降低折射率。因此，我們沒(méi)有把波導(dǎo)寫(xiě)在我們想要的地方，而是在它的外面寫(xiě)，以降低周?chē)鷧^(qū)域的折射率。這被稱(chēng)為凹陷包層波導(dǎo)，我們?cè)谥�前的藍(lán)寶石光纖工作中使用了它。”

與該小組之前在藍(lán)寶石方面的工作相比，這次他們改進(jìn)了工藝，降低了波導(dǎo)的光學(xué)損耗。這使他們現(xiàn)在能夠?qū)懭?cm長(zhǎng)的波導(dǎo)，這也意味著他們可以寫(xiě)入更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如1:2光分路器（見(jiàn)圖1）。

該小組優(yōu)化了他們的波導(dǎo)構(gòu)建塊，并對(duì)其進(jìn)行了多次復(fù)制。“過(guò)程控制非常好，所有結(jié)果都一樣。這讓我們意識(shí)到，集成藍(lán)寶石光子芯片具有現(xiàn)實(shí)可行性前景。”

校準(zhǔn)激光寫(xiě)入過(guò)程

然而，在這一過(guò)程中，一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是校準(zhǔn)激光寫(xiě)入過(guò)程。

Wang解釋說(shuō)，折射率的變化“對(duì)于設(shè)計(jì)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，對(duì)晶體而言尤其如此，因?yàn)樗鼈兊恼凵渎屎芨�，許多折射率測(cè)量都是破壞性的。但是寫(xiě)入光子電路需要對(duì)激光改性輪廓進(jìn)行非常精確的控制，因此也希望進(jìn)行快速表征。”

為了快速做到這一點(diǎn)，研究人員寫(xiě)入了一個(gè)線性陣列設(shè)計(jì)，以提供獨(dú)特的輸出模式。該圖案與折射率的變化直接相關(guān)，可以用作指紋。Wang說(shuō)：“通過(guò)將這些模式與一組模擬結(jié)果相關(guān)聯(lián)，我們可以識(shí)別指數(shù)調(diào)制。它能夠在每次制造前進(jìn)行快速、可靠的校準(zhǔn)。”

該項(xiàng)目的首席研究員Julian Fells說(shuō)，由于藍(lán)寶石是一種非常堅(jiān)硬且有彈性的材料，“它可以承受高達(dá)2000°C的超高溫和高輻射。這些特性使其適用于航空航天、太空和發(fā)電等極端環(huán)境。此外，藍(lán)寶石在中紅外區(qū)還有一個(gè)非常寬的光譜窗口，該窗口可用于醫(yī)療應(yīng)用。通過(guò)增加光子電路的復(fù)雜性，有望實(shí)現(xiàn)更高性能的傳感器和設(shè)備。”

該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)展示了光子芯片的基本構(gòu)建塊，現(xiàn)在他們正在積極努力降低損耗，并進(jìn)一步擴(kuò)展電路的復(fù)雜性。

文/Sally Cole Johnson