李萌1,2 張茜1,2 楊棟1,2 龔旗煌1,2,3 李焱1,2,3

1北京大學物理學院人工微結構和介觀物理國家重點實驗室

2北京大學納光電子前沿科學中心

3山西大學極端光學協同創新中心

飛秒鐳射製備如今已經發展成為一種高效的三維微納加工技術，在多個領域得到廣泛關注。1996年，日本京都大學首先發現聚焦飛秒鐳射的輻照可以引起玻璃折射率增大，並將該現象應用於光波導的製備。隨後,飛秒鐳射直寫技術被引入玻璃、晶體、聚合物、陶瓷等多種透明介質材料中以加工多種型別的光波導，飛秒鐳射加工光波導的應用範圍得到極大拓展。

凹陷包層波導在發現初期並沒有得到很多關注，而近些年其獨特的性質和在各領域的應用又引起研究人員的重視。凹陷包層波導芯區保留了材料原本的性質,可以傳播橫電(TE)和橫磁(TM)兩種偏振模式,在整合光子學領域具有重要的發展潛力。

飛秒鐳射直寫光波導的型別

根據波導芯區和包層的形成方式，飛秒鐳射在透明介質中加工的光波導一般可分為以下三種類型（如圖１）：I型(鐳射照射區折射率增加，形成波導芯區)；II型(鐳射照射區折射率減小，誘導周圍應力分佈)；凹陷包層波導。

根據所誘導折射率的變化分類，凹陷包層波導似乎應被歸為II型應力誘導波導，但其實它們在幾何結構和波導效能方面有著顯著的差異。

圖1 飛秒鐳射直寫光波導的三種類型及對應端面形貌。(a)I型;(b)II型;(c)凹陷包層型波導

I型波導

I型波導的導光區直接產生於飛秒鐳射誘導的改性區域處，如圖1(a)所示，飛秒鐳射焦點改性區引起材料折射率增大，形成波導芯。這種折射率增大現象常見於大多數玻璃等非晶態材料中。鐳射照射區直接形成波導，便於直寫二維和三維的複雜波導器件，比如Y型分束器、定向耦合器、波導陣列和光柵等。

在晶體中，I型波導形成機制更為複雜，該型別波導僅能在鈮酸鋰、Nd:YCOB和硒化鋅(ZnSe)等少數幾種晶體材料中得以實現。

此外，I型直寫波導通常不具備熱穩定性，在高溫下折射率變化現象甚至會完全消失，所以不能應用於大功率波導器件。

II型波導

應力誘導II型波導的導光區位於飛秒鐳射焦點掃描軌跡的鄰近區域，如圖1(b)所示。

在通常情況下,鐳射掃描形成兩條分離的平行軌跡，波導芯位於這兩條軌跡中間，被稱為“雙線”或“雙軌”波導結構，這也是大多數應力誘導波導的幾何結構。應力誘導的雙線波導在高溫條件下非常穩定，有利於高功率波導器件的製備。

凹陷包層波導

凹陷包層波導未被鐳射改性的波導芯,被數量眾多折射率變低的損傷軌跡包圍，如圖1(c)所示。

凹陷包層波導的形成方式和應力誘導波導類似，但也有明顯的區別。對於凹陷包層波導，理論上軌跡線可以排布出任意幾何形狀的波導截面，但圓形截面更容易與光纖對接，所以應用最廣。

波導的直徑大小也可以靈活調控，從而支援從可見光到近紅外甚至中紅外波段光的傳輸，導模也可以從單模變化到多模。凹陷包層波導的一個非常重要的優點是在大多數晶體中都支援TE、TM兩種偏振模式，所以適用於偏振無依賴的抽運光源或基於相位匹配的頻率轉換器。此外，在接近材料表層製備的表面凹陷包層波導中容易引入額外的損耗，比如覆蓋可飽和吸收體，適合應用於調Q脈衝鐳射系統。

凹陷包層波導具有獨特優勢和廣泛的應用前景，研究人員開展了多方面的研究工作，包括加工波導的材料、波導包層的結構、波導實現的功能、基於焦場整形技術的快速製備、以及在天文學中紅外波段波導鐳射器、光柵和天體調零干涉儀中的應用等方面的研究。

製備凹陷包層波導的材料

為了實現凹陷包層波導的製備,用於加工波導的材料折射率需要在飛秒鐳射照射後減小,大多數的晶體材料以及少數幾種玻璃和透明陶瓷材料滿足這個要求。

玻璃材料

ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)玻璃是一種重金屬氟化物玻璃，在近紅外到紅外波段具有很高的透明度，色散和溫度依賴性都較低。ZBLAN玻璃成為為數不多的製備凹陷包層波導的理想玻璃材料，如圖2。

圖2 飛秒鐳射在ZBLAN 玻璃中直寫的低折射率軌跡數量不同的波導結構

碲酸鹽玻璃以TeO２為主要成分，往往透過加入一些氧化物和鹵化物來提高玻璃的形成能力和穩定性。碲酸鹽玻璃具有較低的毒性、良好的化學和熱穩定性以及抗腐蝕能力,紅外透過視窗較寬、玻璃轉變溫度較溫和、聲子能量較低、折射率較高，其可應用於整合非線性光子學領域。

光熱折變(PTR)玻璃是一種光敏多組分矽酸鹽玻璃，其中摻雜了銀(Ag)、銫(Ce)、氟(F)和一系列其他元素。PTR玻璃具有很好的光熱效能、熱穩定性、機械穩定性、高光學損傷閾值以及很寬的透明光譜範圍。圖3為飛秒鐳射在PTR玻璃中直寫製備的具有不同截面直徑的凹陷包層波導的顯微圖。

圖3 飛秒鐳射在PTR玻璃中直寫製備的具有不同截面直徑的凹陷包層波導的顯微圖

晶體材料

Nd:YAG晶體是一種具有重要實用價值的鐳射晶體，具有穩定的物理和化學性質、高熱導率和寬透射光譜範圍，而且三種類型的光波導都可以在這種晶體中得以實現。凹陷包層波導的首次飛秒鐳射直寫製備就是在該晶體中實現的。除了Nd離子,在YAG晶體中還可以摻雜Yb、Er、Tm和Cr等多種活性離子，用於製備凹陷包層波導。

鈮酸鋰(LiNbO3)是光子學中應用最為廣泛的晶體之一。純鈮酸鋰晶片能夠用於被動器件中的訊號傳輸和主動器件中的電光調製，摻雜稀土離子比如Nd、Er的鈮酸鋰晶片非常適用於製備鐳射源和光學放大器，摻雜鐵或銅離子的鈮酸鋰有利於實現光折變波混頻和資訊儲存，而週期性極化鈮酸鋰(PPLN)能夠實現高效變頻和準相位匹配。

圖4 在鈮酸鋰晶體中製備的四種凹陷包層波導的截面光學顯微圖，紅圈標示波導位置

ZnS晶體具有較高的折射率透明視窗很寬，是一種極好的可用於中紅外波導器件的光學材料。在鐳射照射區形成的損傷軌跡的折射率也會減小。因此,ZnS晶體也可以用於製備凹陷包層波導(圖5),且可支援TE和TM兩種偏振模式，但是包層折射率改變數對不同偏振存在差異。

圖5 ZnS晶體中具有不同直徑的凹陷包層波導

藍寶石晶體是最硬且耐腐蝕能力最強的光學材料之一，透光範圍為0.14-6 μm ，在3-5 μm的中紅外波段具有很高的光學透過率，還具有很好的熱導率和很高的熔點，因此由藍寶石製作的視窗片和感測光學元件可以工作於高真空、高溫等苛刻條件下。純的藍寶石不易加工，因此常會摻雜一些 Ti3+離子來降低光學損傷閾值，從而便於飛秒鐳射直寫加工，摻雜 Ti3+離子的藍寶石凹陷包層波導還可以作為整合光學器件的熒光光源。

在光子學領域，金剛石因其獨特的光學性質而逐漸得到關注，比如它具有高折射率、高熱導率、寬透射光譜視窗和高拉曼係數。在室溫下，金剛石氮空位(NV)色心可以作為單光子源，這使其成為光量子資訊研究的極好平臺。

圖6 飛秒鐳射在多晶金剛石內部直寫的凹陷包層波導

波導加工掃描方式

隨著飛秒鐳射直寫製備凹陷包層波導的不斷髮展,人們在加工方式方面也在不斷探索,加工掃描方式包括平移掃描、螺旋掃描及焦場整形快速掃描等。

平移掃描：是飛秒鐳射加工凹陷包層波導最常用的加工方式（圖7）。這種橫向平移掃描方式具有簡單、靈活的優點，因此目前絕大多數的凹陷包層波導都是利用這種方法制備的。但這種方式相當耗時，隨著損傷軌跡數量和器件複雜度的增加，其加工時間會大大增加。

圖7 三種飛秒鐳射直寫加工方式

螺旋掃描：利用縱向螺旋掃描法可以得到包層連續、傳播損耗低、導光效能優越的凹陷包層波導，而且傳輸損耗也更低，大大縮短了凹陷包層波導的製備時間。但是縱向螺旋掃描製備的波導的長度會受到限制，相比橫向平移掃描欠缺靈活性。

焦場整形快速掃描：在快速製備凹陷包層波導方面，還可以採用焦場整形的方法來提高加工速度，這裡將主要介紹基於相位調製的焦場整形方案。

在縱向掃描機制下,可以透過聚焦高階無衍射貝塞爾光束生成空心管狀光束的方法來製備具有圓形截面的凹陷包層波導；基於強度呈環狀分佈的焦場，可以利用縱向掃描方式直寫管狀凹陷包層波導；在橫向掃描機制下，也可以採用焦場整形的方式，透過特殊設計的焦場大幅度提高凹陷包層波導的製備速度。

上海光學精密機械研究所的程亞課題組根據狹縫整形展寬焦場的原理，在空間光調製器上載入具有狹縫形狀且含有閃耀光柵的相位板，透過改變相位板中的縫寬，實現了聚焦光斑縱橫比的大範圍調節,如圖8所示。

圖8 實驗裝置示意圖，內插圖為實現豎直線和水平線的相位板

本課題組在透過焦場整形實現凹陷包層波導的快速製備方面也作了一些探索（如圖9所示），實現了透過單次橫向掃描即可完成凹陷包層波導的製備，進一步縮短了加工時間。具有圓環狀包層結構的波導在加工空間波導網路時具有很大的幾何靈活性，而且商用光纖的截面也都是圓形的，容易實現波導-光纖的高效耦合，所以圓環形焦場的實際應用價值更大，也是科學研究的重點。

圖9 利用離散圓環焦場製備的凹陷包層波導的光學顯微圖和導模。

凹陷包層波導的應用

在飛秒鐳射直寫凹陷包層波導的眾多工作中, 包層結構也因不同的加工條件、不同的功能而呈現不同的形貌，這也進一步說明了凹陷包層波導截面設計的靈活性。主要有三種包層結構：任意形狀的單包層結構、多包層結構、光學晶格的包層結構。

在可以直寫任意形狀單包層結構的基礎上，凹陷包層波導可以與具有不同截面形狀和大小的整合光學器件耦合，包層結構也可以向多包層結構、光學晶格包層結構等特殊的包層結構擴充套件，實現更多新功能，充分發揮凹陷包層波導截面設計的靈活性與便捷性。

正是由於凹陷包層波導的這些優點和特性，因此在製備波導鐳射器、電光調製器件、整合光子學器件等方面發揮著重要的作用。

波導鐳射器

凹陷包層波導最基本也是最常見的應用就是製作波導鐳射器。波導鐳射器具有緊湊的尺寸、較低的閾值和良好的輸出效能，因此在光電子領域具有重要的應用價值。

目前，在Tm:ZBLAN玻璃、 Nd:YAG晶體、Nd:YVO4晶體、Nd:YAP晶體、Nd:LGS晶體、Fe:ZnSe晶體以及Nd:YAG透明陶瓷等多種材料體內製備得到的凹陷包層波導都可以用來製作波導鐳射器。

由Fe:ZnSe晶體中凹陷包層波導構成的波導鐳射器還可以將發射波長擴充套件到4.12μm，這是目前利用飛秒鐳射直寫製備的凹陷包層波導鐳射器發射的最長波長。另外，利用雙包層結構還可以進一步提高波導鐳射器的效能和模式質量。

頻率轉換器件

利用非線性光學晶體直寫的凹陷包層波導，還可以製備頻率轉換器件，最典型的頻率轉換器件就是將基頻光轉換成二倍頻光，拓寬鐳射光源的波長範圍(如圖10)。

圖10 在非線性Nd:YCOB晶體中製備的凹陷包層結構截面

凹陷包層波導為非線性頻率轉換所需要的基於雙折射的相位匹配條件提供了保障，可以實現I型和II型相位匹配，在週期性極化晶體裡還可以透過準相位匹配實現二倍頻過程。

溫度感測器件

凹陷包層波導在溫度感測方面展現出了獨特的功能，將來會在片上實驗室領域發揮作用。比如，在常用晶體(比如 Nd:YAG 晶體)中直寫的小體積凹陷包層波導更便於整合到光學系統中，可以避免交叉敏感的問題，而且在Nd:YAG晶體中直寫的凹陷包層波導無偏振依賴性，可以排除鐳射偏振的影響，從而提高感測的準確度。

波導光柵濾波器

在凹陷包層波導的芯區寫入布拉格光柵，利用週期性的光柵結構對光的傳播進行控制，可以實現波導光柵濾波器的功能。波導芯區的布拉格光柵也可以利用飛秒鐳射直寫進行逐點掃描來實現。在鈮酸鋰晶體凹陷包層波導中也可以寫入布拉格光柵，並利用電光效應調諧光柵。

整合光子學器件

由飛秒鐳射直寫的凹陷包層波導構成的整合光子學器件，也得到了研究人員的廣泛關注。所製備的器件種類也在與日俱增，從最基本的直波導、Y型分束器和定向耦合器，到Mach-Zender(MZ)干涉儀，再到三維分束器、模場變換器、電光可調諧定向耦合器等複雜器件。

模場變換器是基於錐狀圓形凹陷包層波導實現的，圖11。該波導的離散圓形包層是透過橫向平移掃描法在Nd:YAG晶體中製備的,因此包層的形狀和大小可以靈活調控。

圖11 模場變換器

基於Y型分束器的器件：由凹陷包層波導構成的光學分束器有很大一部分是基於Y型結構製備的，其中還分為埋覆式凹陷包層波導分束器(結構全部在材料內部)和表面凹陷包層波導分束器。

此外，在鈮酸鋰晶體、藍寶石晶體中也可製備這種埋覆式Y型分束器。在LiTaO3晶體中製備的表面包層波導Y型分束器，可滿足光電子領域中波導接近表面的需求。

基於定向耦合器的器件：由凹陷包層波導構成的光學分束器還有一部分是基於定向耦合器(DC)的結構製備的。由I型波導構成的定向耦合器是整合光量子晶片中的重要組成元件，由定向耦合器和相移器構成的光學分束器網路在量子計算、量子模擬、量子通訊等領域發揮著重要的作用。而由凹陷包層波導構成的定向耦合器目前還處在研究起步階段，但也將在未來整合光子學領域發揮重要作用。

結 語

飛秒鐳射直寫技術可以在玻璃、晶體、陶瓷等多種材料中製備凹陷包層波導，可以透過橫向平移掃描和螺旋掃描製備，還可以利用焦場整形技術橫向掃描快速製備，大大減少加工時間。

凹陷包層波導的包層結構，可以靈活設計以實現任意形狀的截面，更好地與整合光子學器件進行匹配。多包層結構和光學晶格包層結構的引入還可以提高波導效能，改善模式質量。

凹陷包層波導的導光區完美保留了材料原本的性質，圓形包層結構的波導還可以傳輸TE和TM兩種偏振模式，無偏振依賴性，從而為製作波導鐳射器和基於雙折射相位匹配、準相位匹配的頻率轉換器件提供了良好的平臺。凹陷包層波導還可以用於溫度感測，製備波導光柵濾波器和整合光子學器件，其豐富多樣的功能和應用使其具有極大的發展潛力。

然而，凹陷包層波導目前還存在傳輸損耗偏高、器件尺寸較大、加工時間長等問題，這在一定程度上限制了其在整合光子學領域的普遍應用。焦場整形技術可以提高凹陷包層波導的製備速度，但是在波導截面的靈活性、包層結構質量的提高、耦合區域焦場的動態切換等方面仍面臨著挑戰。

隨著飛秒鐳射三維微納製造和焦場整形等技術的快速發展，凹陷包層波導的加工水平和器件效能會越來越高，必將在未來整合光子學領域大放異彩。

本文改寫自：李萌、張茜、楊棟等.飛秒鐳射加工凹陷包層波導及其應用[J].鐳射與光電子學進展，2020，57(11):111427

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