3分钟了解飞秒激光直写光波导技术的前世今生

原创邱建荣光电汇OESHOW 2018-06-12

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#3分钟科普

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“飞秒激光技术”一诞生就被用于研究光与物质的相互作用，迄今为止，发现了众多基于飞秒激光与物质非线性相互作用的新现象，其形式之多样，内容之丰富，使人目不暇接；其现象之神奇，结构之精细，令人瞠目结舌。
飞秒激光相关的研究论文每年从刚开始的两位数到最近连续突破1000篇，所观察到的现象大大拓展了人类对于光与物质相互作用的认识。

技术-前世

20世纪末日本虽然由于泡沫经济陷入了经济停滞甚至衰退的恶性循环，但是在科学技术领域还是有很多创造性的举措，这为他们进入21世纪后取得诺贝尔奖级的研究成果起到了重要作用，其中包括当时日本科技厅现在日本文部科学省科学技术振兴机构推进实施的ERATO项目（创造科学推进事业）。
ERATO项目是得到美国国家基金会等高度评价的一种举措。每年日本政府在日本乃至全世界选择4-5位年富力强的日本或日本籍在外的科学家，由他们担任项目的首席科学家，给予20亿日元的研究经费。然后在全世界范围内招募人才，一个项目一般会由三个相互支撑的研究小组构成，每个小组4-5位研究员，开展围绕某个特定专题的开拓性研究，一般5年后解散。
从现在来看，ERATO项目譬如铁基超导发明人东京工业大学细野秀雄教授领导的透明电子项目等诞生了使水泥变成超导体等极具创新性的重要研究成果。飞秒激光直写光波导技术可以说是萌芽于大阪大学增原宏教授领导的ERATO极微化学项目，而在京都大学平尾一之教授领导的ERATO诱导结构项目得到了开拓性发展的一项成果。

增原宏教授领导的团队主要开展利用光进行局域的化学反应控制的研究。1994年在该项目任课题组长的三泽弘明博士（现任北海道大学教授）偶然在实验中发现将皮秒激光通过显微物镜聚焦到载玻片内部，在玻璃内部焦点处形成一个微纳尺度的亮点（折射率变化），他考虑可以通过这个现象实现玻璃中的永久性的三维超密度光存储。他和日本中央玻璃公司合作申请了专利，并在1995年日本化学学会期刊上发表了纯日语写的利用这个现象进行三维光存储的的论文。利用飞秒激光进行光存储方面，哈佛大学Mazur教授的研究比较著名，但是这方面的工作应该是在三泽博士的工作之后，并且晚于更重要的京都大学平尾一之教授领导的飞秒激光直写光波导的工作。

1994年9月成立的平尾诱导构造项目目标是通过外场调控具有热力学亚稳态特性的玻璃的微结构以实现新功能、复合功能和高性能。当时，美国的相干公司和光谱物理公司已经能提供性能比较稳定的钛宝石飞秒激光器系统，但价格昂贵，当时一套飞秒激光价值一亿日元。由于飞秒激光器具有超快超强的特点，作为一种在实验室能够实现的极端的物理条件，飞秒激光被引入项目作为一种微纳结构操控的工具。
我于1995年4月作为研究员加入平尾诱导结构项目，刚开始选择了比较偏门的光激励和长余辉发光材料研究，后来为飞秒激光诱导的神奇现象所吸引，加入到飞秒激光诱导材料微纳结构及其动力学的研究。飞秒激光直写光波导技术可以说是平尾诱导构造项目最有代表性的工作。
平尾项目中当时来自日本中央玻璃的三浦清贵研究员曾在增原项目担任合作研究员，他非常了解三泽博士的工作，他关注飞秒激光在玻璃内部诱导的结构。当时他在项目讨论会上创造性地提出了是否可用这个现象实现三维集成光路，但几乎没有人认为他的想法能够实现。因为当时一般接受的理论是飞秒激光聚焦照射到透明材料内部时，通过多光子吸收产生大量自由电子形成等离子体，等离子体膨胀导致局域的高温高压，最终通过微爆炸形成空洞或折射率小于周边的结构，也就是说中心的折射率一般小于边缘的折射率。而光波导结构需要中心的折射率大于边缘的折射率，这样才能使得光陷在诱导结构中通过全反射进行传播。
三浦先生（当时还不是博士）和来自美国伦斯勒工科大学的Davis博士一道将飞秒激光用物镜聚焦到固定在三维平移台上的抛光好的石英玻璃样品，改变激光功率等照射条件，手动移动焦点位置在石英玻璃中写入线条，然后委托日本东丽公司研究中心用椭偏仪测试其诱导结构截面的折射率分布，惊奇地发现了在某些条件下直写的直线的中间折射率升高了（图1）。

图1 飞秒激光直写石英玻璃中光波导的折射率分布
(A) 10次扫描3GeO2·97SiO2玻璃的折射率分布 (B)单次次扫描3GeO2·97SiO2玻璃的折射率分布 (C)单次扫描SiO2玻璃的折射率分布

随后，Davis博士以“Writing waveguides in glass with a femtosecond laser”为题撰写了论文，迄今为止该论文被SCI引用1797次，是以“femtosecond laser”为标题迄今为止的发表的SCI收录的12181论文中引用最高的。很多场合，不拘泥于传统的理论，敢想敢干是取得创造性成果的关键。
众所周知，一般的光波导制备采用CVD或离子交换法。CVD制备工序繁复，设备庞大而昂贵而且组成受到限制。而离子交换法需要玻璃中的碱金属离子与熔盐中的Ag离子等进行交换来实现折射率调控，受到组成的极大限制。
为了进一步探讨利用飞秒激光直写光波导方法的普适性，我们进行了进一步的研究，发现这种方法对包括氧化物玻璃、氟化物玻璃甚至硫系玻璃都适用（图2）。

图2 飞秒激光在各种玻璃中写入的光波导

通过改变激光照射条件来改变折射率和芯径，实现了单模和多模的光波导，并且光通信波段的损耗小于0.5 dB/cm。相关论文被SCI引用730次。
由于一系列相关的研究成果，平尾一之教授、三浦清贵博士和我获得了2007年德国Abbe基金颁发的国际Otto-Schott研究奖。

机理-表征

飞秒激光直写光波导技术是基于飞秒激光诱导的材料内部局域的折射率变化。研究人员通过各种现代测试技术，分析了折射率变化的原因，提出了以下5种机理：
1）光诱导结构致密化；
2）不同冷却速度造成的假想温度变化；
3）色心形成；
4）光折变；
5）离子重新分布。
根据激光照射条件和材料类型会产生基于不同机制协同作用的结果，但尚没有一种能完整定量描述飞秒激光诱导折射率分布的物理模型。
飞秒激光直写光波导一般通过将激光束通过物镜聚焦到材料内部，通过计算机控制的三维平台移动样品将线型结构雕入材料内部形成光波导。根据激光传播方向和样品移动方向是垂直还是平行，分为横向直写和纵向直写方式。
横向直写法由于物镜球差和自聚焦效应，一般得到的波导截面为椭圆型或条状，需要选择紧聚焦透镜并进行光束整形和功率调控。纵向法也存在不同聚焦深度直径产生变化等问题。也有通过软件控制同时移动XYZ三维平台直写螺旋形波导结构的尝试，但只局限于尝试。

应用-今生

飞秒激光直写光波导技术现在已用于无源波导、分束器、耦合器、电光调制器、倍频光波导、光波导型放大器、光波导激光器等器件的构建，近年用于光量子芯片的构建已成为一个国际性的热点。材料也不再局限于玻璃，已拓展至晶体、高分子以及透明陶瓷等材料。
飞秒激光直写光波导技术的目标是实现任意形状的和图案化的兼具所设计的折射率分布和低损耗的光波导。除传统的飞秒激光功率、扫描速度、扫描方式等条件控制外，近年开展了利用柱形棱镜、狭缝等光束整形技术实现横截面接近圆形的光波导的探讨。另外通过空间光调制器实现并行直写以提高直写光波导的效率。在材料方面设计容易产生大的折射率变化的材料体系并在飞秒激光照射时同时诱导其它结构的产生，通过基于异质结构之间的协同效应实现新功能、复合功能和高性能。
未来，基于飞秒激光时空整形技术的低损耗光波导直写将成为必然趋势。飞秒激光的特点决定了与其它激光和离子束等相比，其具有更多可供选择的维度，如脉宽、偏振态、相位、时空啁啾状态、脉冲前倾等，其决定了波导结构形态和功能的无限可能性，已有产品如巧妙利用光在界面反射的飞秒激光直写直角拐弯型波导列阵应用于光通信系统。随着飞秒激光价格的进一步降低，飞秒激光应用将越来越广泛，不断会有新的飞秒激光直写光波导关联产品投放市场。

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THE END

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