牛津大学的研究人员利用飞秒激光在蓝宝石中写入数百个波导，表明蓝宝石光子芯片具有现实可行性前景。

图1：4cm长的蓝宝石集成光子芯片。

光子集成电路（PIC）需要将光子器件紧凑地集成在体衬底材料上，目前使用的体衬底材料主要是玻璃。玻璃具有自身的局限性，因此英国牛津大学的研究人员正在探索使用蓝宝石作为玻璃的替代衬底材料。

在蓝宝石中构建高质量的集成光子学电路，可以为通信、传感或量子计算等应用开辟诸多新的可能性。

“任何紧凑型光子电路的基本构建模块都是波导，”牛津大学工程科学系的研究人员Mohan Wang说，“我们可以使用激光制造，在蓝宝石中按照设计的图案‘写入’波导阵列。当我们将光注入波导阵列中时，光沿着设计的路径传播，这样我们就可以在蓝宝石中写入数百个波导，以实现非常复杂的功能。”

飞秒激光器在蓝宝石中写入波导

飞秒激光可以将这些波导写入大块材料中，因为飞秒激光具有极高的强度，并且可以聚焦到微米尺度。“这会导致焦点体积中材料内部的非线性电离，从而导致折射率的变化。”Wang说，“通过飞秒激光和蓝宝石块体材料（安装在三维纳米精密平台上）之间沿着设计轨迹的相对运动，就可以在蓝宝石衬底上写入我们设计的集成光子学路径。”

波导是由相对于其周围区域具有较高折射率材料的区域形成的，而集成光子学中最常见的材料是玻璃。

“将玻璃暴露在飞秒激光下会增加其折射率，因此通过沿着样品内部扫描激光来写入波导是很简单的。”Wang说，“但是在蓝宝石晶体中，激光会降低折射率。因此，我们没有把波导写在我们想要的地方，而是在它的外面写，以降低周围区域的折射率。这被称为凹陷包层波导，我们在之前的蓝宝石光纤工作中使用了它。”

与该小组之前在蓝宝石方面的工作相比，这次他们改进了工艺，降低了波导的光学损耗。这使他们现在能够写入4cm长的波导，这也意味着他们可以写入更复杂的结构，如1:2光分路器（见图1）。

该小组优化了他们的波导构建块，并对其进行了多次复制。“过程控制非常好，所有结果都一样。这让我们意识到，集成蓝宝石光子芯片具有现实可行性前景。”

校准激光写入过程

然而，在这一过程中，一个巨大的挑战是校准激光写入过程。

Wang解释说，折射率的变化“对于设计优化的结构至关重要，对晶体而言尤其如此，因为它们的折射率很高，许多折射率测量都是破坏性的。但是写入光子电路需要对激光改性轮廓进行非常精确的控制，因此也希望进行快速表征。”

为了快速做到这一点，研究人员写入了一个线性阵列设计，以提供独特的输出模式。该图案与折射率的变化直接相关，可以用作指纹。Wang说：“通过将这些模式与一组模拟结果相关联，我们可以识别指数调制。它能够在每次制造前进行快速、可靠的校准。”

该项目的首席研究员Julian Fells说，由于蓝宝石是一种非常坚硬且有弹性的材料，“它可以承受高达2000°C的超高温和高辐射。这些特性使其适用于航空航天、太空和发电等极端环境。此外，蓝宝石在中红外区还有一个非常宽的光谱窗口，该窗口可用于医疗应用。通过增加光子电路的复杂性，有望实现更高性能的传感器和设备。”

该团队已经展示了光子芯片的基本构建块，现在他们正在积极努力降低损耗，并进一步扩展电路的复杂性。

文/Sally Cole Johnson