飞秒激光直写技术是一种同时具备三维（3D）加工能力和纳米精度的快速制造技术，被广泛应用于前沿科学研究和各种增材，等材和减材精密工业制造。其中，飞秒激光直写光波导因其3D几何结构、宽透明窗口和低耦合色散等特性，成为构建“复合集成3D光子芯片”的最具前景的光波导平台。然而，从根本上，无论是基于传统的平面光刻技术还是当前的飞秒激光直写技术，对波导折射率分布的精细控制仍然遥不可及，其主要原因是缺乏一种有效的技术手段可以空间选择性地改变基底材料的折射率。
近日，针对这一长期存在的光学工程难题，昆明理工大学陈智教授联合浙江大学邱建荣教授等团队在飞秒激光制造渐变折射率和任意可变截面的3D光子光路上取得重要进展：研究团队通过开发一种精细的飞秒激光直写方法，即重叠控制的多次扫描（OCMS）技术，通过准确地控制激光辐照区域内的热积累效应和激光扫描轨迹间的重叠度来定制3D波导的折射率分布和截面形状。并且令人惊讶的是，研究团队实验证实该技术适用于多种组分玻璃，甚至是单晶晶体（Adv. Mater. (2024) 2404493）。利用OCMS技术，研究团队开发了复杂折射率分布3D光子器件的制造工艺，该工艺可实现10-5量级的折射率修饰精度，同时折射率修饰单元的最小宽度可以控制到50 纳米，比之前报道的结果（>0.4 微米）低近一个数量级。基于这一技术进步，我们演示了 (1) 高加工鲁棒性和超低耦合损耗的单模波导，(2) 高纯度高阶模式转换的宽带耦合，以及 (3) 超短激光脉冲的芯片级模式操控。特别地，我们实现了超连续激光脉冲的低色散、高纯度模式（LP21）转换，其耦合比在210 nm（931-1141 nm）宽带上的最大偏差小于0.1dB，模式提取因子大于20dB。总体而言，该技术提供了一种在3D集成光子光路中实现超宽带、低色散耦合的有效途径，与传统的平面光波导器件相比，在片上传输和操纵强非线性激光脉冲方面展现出压倒性的优势，使其成为构建下一代复合集成3D光子光路的有力工具。
该研究成果以“Precise mode control of laser-written waveguides for broadband, low-dispersion 3D integrated optics”为题发表在光学领域顶尖期刊《Light: Science & Applications》上。
本工作的通讯作者为宁波大学钟理京助理研究员、昆明理工大学陈智教授、之江实验室马志军研究员、谭德志研究员和浙江大学邱建荣教授。浙江大学博士研究生王宇莹为论文第一作者。
这项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的资助。
图1：基于可变截面和折射率分布的OCMS波导的构造方法。
论文信息
Wang, Y., Zhong, L., Lau, K.Y.et al.Precise mode control of laser-written waveguides for broadband, low-dispersion 3D integrated optics.Light Sci. Appl.13, 130 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01473-7
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
翻开教科书，我们为牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦等伟人的无限的想象力和创造力所惊叹。
中国是一个具有悠久历史的文明古国，我们不应该只是追踪，跟在人家后面修修补补，我们应该对人类做出较大的贡献！
进入大学到博士后出站是人生中最具有创造力的大好时光，青春是用来折腾的，不是用来挥霍的。
愿你在大学期间折腾出一个灿烂的明天！
我们将努力为你创造你大展宏图的平台，提供你发挥聪明才智的机会。
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！
本课题组诚挚欢迎参加SRTP、本科生、硕士生、博士生、博士后加入我们这个大家庭！
陈智 教授
邮箱：zhichen@zhejianglab.edu.cn
