牛津大學的研究人員利用飛秒激光在藍寶石中寫入數(shù)百個波導，表明藍寶石光子芯片具有現(xiàn)實可行性前景。

圖1：4cm長的藍寶石集成光子芯片。

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，因此英國牛津大學的研究人員正在探索使用藍寶石作為玻璃的替代襯底材料。

在藍寶石中構建高質(zhì)量的集成光子學電路，可以為通信、傳感或量子計算等應用開辟諸多新的可能性。

“任何緊湊型光子電路的基本構建模塊都是波導，”牛津大學工程科學系的研究人員Mohan Wang說，“我們可以使用激光制造，在藍寶石中按照設計的圖案‘寫入’波導陣列。當我們將光注入波導陣列中時，光沿著設計的路徑傳播，這樣我們就可以在藍寶石中寫入數(shù)百個波導，以實現(xiàn)非常復雜的功能。”

飛秒激光器在藍寶石中寫入波導

飛秒激光可以將這些波導寫入大塊材料中，因為飛秒激光具有極高的強度，并且可以聚焦到微米尺度。“這會導致焦點體積中材料內(nèi)部的非線性電離，從而導致折射率的變化。”Wang說，“通過飛秒激光和藍寶石塊體材料（安裝在三維納米精密平臺上）之間沿著設計軌跡的相對運動，就可以在藍寶石襯底上寫入我們設計的集成光子學路徑。”

波導是由相對于其周圍區(qū)域具有較高折射率材料的區(qū)域形成的，而集成光子學中最常見的材料是玻璃。

“將玻璃暴露在飛秒激光下會增加其折射率，因此通過沿著樣品內(nèi)部掃描激光來寫入波導是很簡單的。”Wang說，“但是在藍寶石晶體中，激光會降低折射率。因此，我們沒有把波導寫在我們想要的地方，而是在它的外面寫，以降低周圍區(qū)域的折射率。這被稱為凹陷包層波導，我們在之前的藍寶石光纖工作中使用了它。”

與該小組之前在藍寶石方面的工作相比，這次他們改進了工藝，降低了波導的光學損耗。這使他們現(xiàn)在能夠寫入4cm長的波導，這也意味著他們可以寫入更復雜的結構，如1:2光分路器（見圖1）。

該小組優(yōu)化了他們的波導構建塊，并對其進行了多次復制。“過程控制非常好，所有結果都一樣。這讓我們意識到，集成藍寶石光子芯片具有現(xiàn)實可行性前景。”

校準激光寫入過程

然而，在這一過程中，一個巨大的挑戰(zhàn)是校準激光寫入過程。

Wang解釋說，折射率的變化“對于設計優(yōu)化的結構至關重要，對晶體而言尤其如此，因為它們的折射率很高，許多折射率測量都是破壞性的。但是寫入光子電路需要對激光改性輪廓進行非常精確的控制，因此也希望進行快速表征。”

為了快速做到這一點，研究人員寫入了一個線性陣列設計，以提供獨特的輸出模式。該圖案與折射率的變化直接相關，可以用作指紋。Wang說：“通過將這些模式與一組模擬結果相關聯(lián)，我們可以識別指數(shù)調(diào)制。它能夠在每次制造前進行快速、可靠的校準。”

該項目的首席研究員Julian Fells說，由于藍寶石是一種非常堅硬且有彈性的材料，“它可以承受高達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，藍寶石在中紅外區(qū)還有一個非常寬的光譜窗口，該窗口可用于醫(yī)療應用。通過增加光子電路的復雜性，有望實現(xiàn)更高性能的傳感器和設備。”

該團隊已經(jīng)展示了光子芯片的基本構建塊，現(xiàn)在他們正在積極努力降低損耗，并進一步擴展電路的復雜性。

文/Sally Cole Johnson