单芯-多芯转换三维光子学芯片加工

用于科学研究和工业现代化。

光纤通信技术自出现以来带来了科技和社会领域的重大变革。作为激光技术的重要应用,以光纤通信技术为主要代表的激光信息技术搭建了现代通信网络的框架,成为信息传输的支柱。光纤通信技术是当前互联网世界的重要承载力量,同时也是信息时代的核心技术之一。

自2005年以来,光纤通信技术发展进入相干光通信时代,主要以40Gbps和100Gbps为主。当前,400Gbps及以上速率光通信技术已经开始商用。近年来,在引入相干检测和数字信号处理技术后,各类新型传输技术的组合,使得单模光纤的传输能力已经接近于其极限。

行业挑战

空分复用技术是实现单纤容量增大的有效方案,具体有:采用多芯光纤进行传输,成倍增加单纤的容量,包括采用包括线偏振模式(LP mode)、基于相位奇点的轨道角动量(OAM)光束和基于偏振奇点的柱矢量光束(CVB)等的模分复用技术,这类技术可为光束复用提供新的自由度,提高光通信系统的容量,在光纤通信技术中具有广阔的应用前景,但相关扇入扇出三维光子学芯片的研究是目前的核心挑战。

解决方案概述

多芯少模光纤扇入扇出模块是一种高密度光纤组件,一端是一根多芯光纤,另一端是多根单模(SM)光纤, 中间是单芯-多芯转换的三维光子学芯片。该光子学芯片利用立体波导技术,以较小的插入损耗、偏振相关损耗和低串扰实现了多芯光纤和单模光纤的高效光耦合,从而实现高密度模分复用光纤通信和更大容量的分布式光纤传感应用。

光波导是扇入扇出三维光子学芯片的基本结构,其导波传输特性能够有效地消除光束发散,可以在较长的传输长度上保持较高的光密度和均一的导波模式,有利于增强光与波导材料的相互作用并提升基质原有的光学性能。因此,在不同光学材料中制备低损耗、结构灵活的光波导结构,进而实现多功能高性能波导光学器件一直是光子学芯片的研究热点。

光学晶体材料由于其多样的晶格结构可以展现丰富的光学特性,是搭建多功能光子学芯片的理想平台。由于传统波导制备工艺的局限性以及晶体材料结构的复杂性,在晶体材料中构建三维光波导结构通常较为困难,而近年来快速发展的飞秒激光直写技术则为解决这一难题提供了有效的解决方案。

首先,由于非线性吸收机制,激光材料改性被局限于聚焦体积。使用扫描加工,可以实现几何上难度较大的三维结构。其次,材料独立的非线性吸收工艺使得在透明材料中形成光学器件等精细结构成为可能。飞秒激光微加工由一种叫做“激光感应光学击穿”的现象引起。在这一过程中,飞秒激光器的光学能量被输送到加工过的材料上,激发出很多电子,促使电子离子化,并将能量向晶体运输。

随后,材料发生结构变化造成折射率永久性改变,甚至在焦点处留下一个孔。利用聚焦的飞秒激光束与物质相互作用效应,可诱导透明介质材料中局部区域的折射率变化。通过对衬底材料进行扫描可以实现高灵活度、高精度、操作简便的三维微加工,从而制备结构灵活、精细的通道型光波导结构光子学器件,使光波导和晶体材料的光学性能和集成特性能够最大程度上得到发挥。

本方案使用飞秒激光对光学晶体(包括光学玻璃、铌酸锂晶体、蓝宝石等)进行加工,通过使飞秒脉冲紧密聚焦(使用显微镜头)于光学晶体内部,每平方厘米的功率密度超过数太瓦,引发复杂多样的工艺,如同时多光子吸收、雪崩和碰撞电离,造成对光学晶体高度局域化的改性,同时几乎不存在能量沉积。由于飞秒激光脉冲极短,造成的热影响可以忽略不计,因此,该过程可以称为“冷加工”,不会造成裂痕避免光学晶体材质破碎。同时,通过高精度(纳米级精度)的三维位移台来控制激光焦点与光学晶体的相对位置

图1.由Innofocus加工的波导图像在显微镜下的表现

图2.由Innofocus加工的扇入扇出光子芯片

独特的竞争优势

飞秒激光加工制作的光波导的表面形貌由激光的焦点决定。虽然目前已经有可以应用于飞秒加工光波导的机台,然而由于激光焦点沿光轴方向伸长的形貌,加工的波导的截面呈椭圆形,不利于降低传输损耗。不同于普通激光加工机台,Innofocus NanoPrint 3D智能激光微纳加工系统引入独特的光学调制(也可称为光束整形)技术,通过对入射光进行调制(基于Innofocus独立开发的算法),实现接近圆形截面的焦点,实现圆形截面的光波导的加工有效的降低传输损耗。

客户价值

由于非线性吸收机制,激光材料改性被局限于聚焦体积,可以实现几何上难度较大的三维结构。

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应用场景

波分复用器;光通信设备;量子计算机相关设备;透明相板制造;全息光学元件制造。