硅基电子芯片的发展逐渐逼近摩尔定律的极限，而光子集成芯片被认为是最有可能实现换道超车的替代方案。光子集成芯片由成千上万个有源、无源光子元器件组成，而光波导在这些光子元器件中扮演重要角色。近年来，在铌酸铌等单晶体中制备高性能无源/有源光波导器件引起了国际上学术界和产业界的广泛关注，这是由于单晶体在可见到近中红外波段的光学损耗低、热导好、机械性能好，损伤阈值高、允许高浓度稀土离子掺杂、掺杂增益晶体发射截面大等方面优势突出。以往主要采用金属离子扩散、交换、注入和光刻等手段在单晶体中制备光波导器件。但是，这些方案不仅复杂、低效，而且条件苛刻、耗费高昂、不能制备3D器件。飞秒激光直写技术提供了一种高效、非接触式的3D光波导器件制备策略。截至目前，飞秒激光在单晶体中只能直写Type-II型光波导器件。并且依然存在很多问题，包括：激光诱导局域存在微裂纹、球差效应影响明显、波导损耗依旧很大、且难以对波导的形状、尺寸、模场和折射率分布进行精准控制。而基于Type-I型正折射率变化的光波导能有效克服上述问题。但是，学术界长期存在一个争议：是否可以在单晶体中通过飞秒激光直写出type-I型正折射率变化的光波导，同时还能保持对光波导的损耗、形状、尺寸、模场和折射率分布的精准控制？
针对上述问题，陈智教授联合浙江大学邱建荣教授等团队提出，将狭缝整形技术与浸油物镜相结合，在单晶中直写低损耗的Type-I型光波导。该技术可精准控制光波导的形状、尺寸、模场和折射率分布，空间分辨率高达700 nm，正折射率变化约为10-2，为设计和制备低损耗、高增益的无源/有源光波导器件引入了新的自由度。作为实验验证，该团队成功在Er3+掺杂的YAG单晶中制备了一个7 mm长的圆形增益波导（直径~10μm），其传输损耗低至0.23 dB/cm，波导光放大净增益为~3 dB且具有偏振不敏感特性。研究还发现，该技术具有普适性，原理上适用于YAG、LuAG、LiNbO3等稀土掺杂或不掺杂的任意单晶体。相关研究成果发表于Advanced Materials上。论文的通讯作者为昆明理工大学的陈智教授、之江实验室的马志军研究员，宁波大学的钟理京助理研究员和浙江大学邱建荣教授；论文的第一作者为浙江大学陈道远博士生，共同第一作者为昆明理工大学的陈智教授。此外，意大利比萨大学Giuseppe Barillao教授、浙江大学刘小峰教授、许贝贝研究员、华南理工大学董国平教授等对该工作也作出重要贡献。
3、致谢：
感谢科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目对本工作的资助。
Authors:Daoyuan Chen†, Zhi Chen†,*, Yi Yang, Yuying Wang, Xuhu Han, Kuen Yao Lau, Zhemin Wu, Chen Zou, Yu Zhang, Beibei Xu, Xiaofeng Liu, Zhijun Ma*, Guoping Dong, Giuseppe Barillaro, Lijing Zhong*, and Jianrong Qiu*
Title:3D Laser Writing of Low-Loss Cross-Section-Variable Type-I Optical Waveguide Passive/Active Integrated Devices in Single Crystals
Published in:Advanced Materials, doi:10.1002/adma.202404493
陈智，昆明理工大学材料科学与工程学院，第三层次高层次引进人才，教授，博导。主持国基青年和面上、云南省“兴滇英才”-青年拔尖人才、浙江省重点等项目，且以科研骨干参与欧盟地平线2020、科技部“科技创新2030”、科技部国家重点研发计划、华为技术横向等项目。2017年博士毕业于华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，先后在美国Florida State University（2017-2018）、意大利University of Pisa（2018-2021）、之江实验室（2021-2024）担任博士后、研究助理（Research Assistant）、副研究员。研究方向：面向光子芯片制造—飞秒激光微纳加工新型有源/无源光波导器件，累计发表SCI论文60余篇，其中以一作/通讯在Adv. Mater.、Light Sci. & Appl.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Opt. Mater.等期刊发表SCI论文30余篇。担任Nat. Commun.、Light Sci. & Appl.、Adv. Funct. Mater.等期刊的特约审稿人。曾荣获“中国硅酸盐学会优秀博士学位论文”提名奖，担任《Chip》和《激光与光电子学进展》的青年编委，以及“光电材料与器件”专委会委员。受邀在CIOP2024、LTO2024/2023、ICG2024、ICMAT2017等国际国内学术会议上做邀请/口头报告20余次。
招生简介
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热诚欢迎既脚踏实地，又勇于创新的青年人加入我们的行列！
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陈智 教授
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