超快激光直写可实现光子集成电路 (PIC) 的参数化设计和制造。该技术由 Davis 等人于 1996 年首次发现，并利用聚焦飞秒激光在玻璃、晶体和聚合物等透明介电介质中诱导非线性光电离，从而产生永久性、高度局部化的折射率变化。

与传统的平面光波电路 (PLC) 相比，超快激光直写避开了传统光刻方法固有的光掩模要求，从而实现了快速原型制作。与 PLC 一样，可以制造各种功能电路元件，例如功率分配 Y 形分支、定向耦合器和多模干扰耦合器。3D 超快激光直写光子器件通过弥合硅和光纤之间的差距，在实现未来光纤网络和下一代计算应用方面发挥着至关重要的作用。

一个关键的挑战是基于这两种介质器件的特征尺寸之间的巨大差异， 解决这个问题需要大幅提升激光直写电路的小型化，其限制因素是弯曲损耗，它决定了最小曲率半径。降低激光写入 PIC 的复杂性，尤其是对于通用光子处理器 UPP 和多芯光纤扇出等未来电信应用，需要减小可容忍的最小波导曲率半径。更紧密的弯曲允许芯片内更紧凑的波导布线，因此芯片更小，元件密度更高，插入损耗更低。这方面的最新技术，是由Lee 等人在2021年报告的利用波导边缘精确控制的激光诱导裂纹，在 1550 nm 波长下将最小弯曲半径减小至 10 mm。

Andrew Ross-Adams 和他所在的麦考瑞大学团队，近日，以“Low bend loss, high index, composite morphology ultra-fast laser written waveguides for photonic integrated circuits”为题在Light: Advanced Manufacturing上报告了一种新型低弯曲损耗的复合激光直写波导的方法，基于硼铝硅酸盐玻璃的多道制造技术，涉及两道连续的加工制造步骤，结合了两种不同的折射率变化物理机制，同时结合热和非热的改性，对激光直写波导进行显微“手术”，提高了其折射率对比度，从而在转弯显着改善光约束的性能。与之前的文献相比，最小弯曲半径提高了 2.5 倍，将弯曲半径的 1.0 dB cm?¹ 截止值从 11 mm 减小到 3.5 mm。

基于热和非热改性的两道工艺

作者团队提出了涉及两道加工工艺的技术，第一道工艺是刻划出平滑折射率变化的热波导（热波导），第二道工艺则通过多次扫描对纤芯进行非热改性，以增强折射率对比度，从而减少弯曲损耗。作者表明这两种机制可以连续顺序触发，以进一步提高折射率对比度，此外，还介绍了在脉冲能量、进给率、每毫米脉冲数和球差方面优化多道制造的过程，以及在第二道中实现波导芯高精度对准的表征方法和步骤。

图1：无热直写工艺之前(左)和之后（右）的 30 µm 预退火宽度热波导的明场显微镜图像。

两种机理有什么区别？

热波导的机理依赖于光电离诱导的离子迁移，导致成分变化，而非热直写的机理涉及非桥接氧空穴中心（以及其他缺陷）的形成，以实现正向的折射率变化。

基于有限元合成仿真的新型测量技术

弯曲损耗对折射率对比度极其敏感，因此，弯曲损耗曲线是提取折射率对比度的非常强大的工具。但由于测量技术相关的限制，直接测量复合波导的横向折射率分布是不可行的。作者基于有限元方法，通过实验测量的弯曲损耗和模拟的比较研究来提取折射率对比度，再利用步进模拟的折射率增量直到模拟和实验测量的弯曲损耗曲线达到一致来实现的，如图2所示。

图2：在 1550 nm 波长处曲率半径逐渐变小，传统热波导和新型复合波导的弯曲损耗分量（即排除线性传播和耦合损耗）的模拟和测量。

由于复合折射率分布无法直接使用这两种技术中的任何一种进行测量，因此通过在 MATLAB 中相加组合两种基础修改的各自分布来制作合成近似值，如图3所示。

图3：热改性（左）和非热改性（中）的横向折射率分布，以及用于仿真的二者合成的复合波导（右）的折射率轮廓。

基于PIC应用的设计

S 形弯曲对于任何光子集成电路（尤其是通用光子处理器 UPP）都是必不可少的。为了充分了解和可视化复合波导方法的优点，考虑了圆弧，正弦和余弦等三种s 弯曲线几何形状构成了 PIC 布线的基础设计“工具箱”。可以看出，通过不满足低于 1.0 dB 插入损耗 的s弯曲的区域面积的显著减小，清楚地说明了低复合波导弯曲损耗的工程优势。

图4：比较应用和不应用复合波导技术的s 弯曲的插入损耗的模型。

总结与展望

这种基于多道工艺的飞秒激光直写新型复合形态波导，同时结合热和非热的改性机制，通过优化制造参数空间以最大化非热折射率对比度。该技术对提高未来 PIC（例如通用光子处理器）和多核光纤扇出的集成密度提供了一种解决方案，具有较大的应用潜力。但作者指出，虽然有可能通过多次顺序加工来进一步提高对比度，但这是不切实际的，因为制造时间变得非常长。此外，球面像差对于提高最大可访问折射率对比度的也有重要影响。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2024.009