3分鐘了解飛秒激光直寫光波導技術的前世今生

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「飛秒激光技術」一誕生就被用於研究光與物質的相互作用，迄今為止，發現了眾多基於飛秒激光與物質非線性相互作用的新現象，其形式之多樣，內容之豐富，使人目不暇接；其現象之神奇，結構之精細，令人瞠目結舌。

飛秒激光相關的研究論文每年從剛開始的兩位數到最近連續突破1000篇，所觀察到的現象大大拓展了人類對於光與物質相互作用的認識。

技術-前世

20世紀末日本雖然由於泡沫經濟陷入了經濟停滯甚至衰退的惡性循環，但是在科學技術領域還是有很多創造性的舉措，這為他們進入21世紀後取得諾貝爾獎級的研究成果起到了重要作用，其中包括當時日本科技廳現在日本文部科學省科學技術振興機構推進實施的ERATO項目（創造科學推進事業）。

ERATO項目是得到美國國家基金會等高度評價的一種舉措。每年日本政府在日本乃至全世界選擇4-5位年富力強的日本或日本籍在外的科學家，由他們擔任項目的首席科學家，給予20億日元的研究經費。然後在全世界範圍內招募人才，一個項目一般會由三個相互支撐的研究小組構成，每個小組4-5位研究員，開展圍繞某個特定專題的開拓性研究，一般5年後解散。

從現在來看，ERATO項目譬如鐵基超導發明人東京工業大學細野秀雄教授領導的透明電子項目等誕生了使水泥變成超導體等極具創新性的重要研究成果。飛秒激光直寫光波導技術可以說是萌芽於大阪大學增原宏教授領導的ERATO極微化學項目，而在京都大學平尾一之教授領導的ERATO誘導結構項目得到了開拓性發展的一項成果。

增原宏教授領導的團隊主要開展利用光進行局域的化學反應控制的研究。1994年在該項目任課題組長的三澤弘明博士（現任北海道大學教授）偶然在實驗中發現將皮秒激光通過顯微物鏡聚焦到載玻片內部，在玻璃內部焦點處形成一個微納尺度的亮點（折射率變化），他考慮可以通過這個現象實現玻璃中的永久性的三維超密度光存儲。他和日本中央玻璃公司合作申請了專利，並在1995年日本化學學會期刊上發表了純日語寫的利用這個現象進行三維光存儲的的論文。利用飛秒激光進行光存儲方面，哈佛大學Mazur教授的研究比較著名，但是這方面的工作應該是在三澤博士的工作之後，並且晚於更重要的京都大學平尾一之教授領導的飛秒激光直寫光波導的工作。

1994年9月成立的平尾誘導構造項目目標是通過外場調控具有熱力學亞穩態特性的玻璃的微結構以實現新功能、複合功能和高性能。當時，美國的相干公司和光譜物理公司已經能提供性能比較穩定的鈦寶石飛秒激光器系統，但價格昂貴，當時一套飛秒激光價值一億日元。由於飛秒激光器具有超快超強的特點，作為一種在實驗室能夠實現的極端的物理條件，飛秒激光被引入項目作為一種微納結構操控的工具。

我於1995年4月作為研究員加入平尾誘導結構項目，剛開始選擇了比較偏門的光激勵和長餘輝發光材料研究，後來為飛秒激光誘導的神奇現象所吸引，加入到飛秒激光誘導材料微納結構及其動力學的研究。飛秒激光直寫光波導技術可以說是平尾誘導構造項目最有代表性的工作。

平尾項目中當時來自日本中央玻璃的三浦清貴研究員曾在增原項目擔任合作研究員，他非常了解三澤博士的工作，他關注飛秒激光在玻璃內部誘導的結構。當時他在項目討論會上創造性地提出了是否可用這個現象實現三維集成光路，但幾乎沒有人認為他的想法能夠實現。因為當時一般接受的理論是飛秒激光聚焦照射到透明材料內部時，通過多光子吸收產生大量自由電子形成等離子體，等離子體膨脹導致局域的高溫高壓，最終通過微爆炸形成空洞或折射率小於周邊的結構，也就是說中心的折射率一般小於邊緣的折射率。而光波導結構需要中心的折射率大於邊緣的折射率，這樣才能使得光陷在誘導結構中通過全反射進行傳播。

三浦先生（當時還不是博士）和來自美國倫斯勒工科大學的Davis博士一道將飛秒激光用物鏡聚焦到固定在三維平移台上的拋光好的石英玻璃樣品，改變激光功率等照射條件，手動移動焦點位置在石英玻璃中寫入線條，然後委託日本東麗公司研究中心用橢偏儀測試其誘導結構截面的折射率分布，驚奇地發現了在某些條件下直寫的直線的中間折射率升高了（圖1）。

圖1 飛秒激光直寫石英玻璃中光波導的折射率分布

(A) 10次掃描3GeO2·97SiO2玻璃的折射率分布 (B)單次次掃描3GeO2·97SiO2玻璃的折射率分布 (C)單次掃描SiO2玻璃的折射率分布

隨後，Davis博士以「Writing waveguides in glass with a femtosecond laser」為題撰寫了論文，迄今為止該論文被SCI引用1797次，是以「femtosecond laser」為標題迄今為止的發表的SCI收錄的12181論文中引用最高的。很多場合，不拘泥於傳統的理論，敢想敢幹是取得創造性成果的關鍵。

眾所周知，一般的光波導製備採用CVD或離子交換法。CVD製備工序繁複，設備龐大而昂貴而且組成受到限制。而離子交換法需要玻璃中的鹼金屬離子與熔鹽中的Ag離子等進行交換來實現折射率調控，受到組成的極大限制。

為了進一步探討利用飛秒激光直寫光波導方法的普適性，我們進行了進一步的研究，發現這種方法對包括氧化物玻璃、氟化物玻璃甚至硫系玻璃都適用（圖2）。

圖2 飛秒激光在各種玻璃中寫入的光波導

通過改變激光照射條件來改變折射率和芯徑，實現了單模和多模的光波導，並且光通信波段的損耗小於0.5 dB/cm。相關論文被SCI引用730次。

由於一系列相關的研究成果，平尾一之教授、三浦清貴博士和我獲得了2007年德國Abbe基金頒發的國際Otto-Schott研究獎。

機理-表徵

飛秒激光直寫光波導技術是基於飛秒激光誘導的材料內部局域的折射率變化。研究人員通過各種現代測試技術，分析了折射率變化的原因，提出了以下5種機理：

1）光誘導結構緻密化；

2）不同冷卻速度造成的假想溫度變化；

3）色心形成 ；

4）光折變 ；

5）離子重新分布。

根據激光照射條件和材料類型會產生基於不同機制協同作用的結果，但尚沒有一種能完整定量描述飛秒激光誘導折射率分布的物理模型。

飛秒激光直寫光波導一般通過將激光束通過物鏡聚焦到材料內部，通過計算機控制的三維平台移動樣品將線型結構雕入材料內部形成光波導。根據激光傳播方向和樣品移動方向是垂直還是平行，分為橫向直寫和縱向直寫方式。

橫向直寫法由於物鏡球差和自聚焦效應，一般得到的波導截面為橢圓型或條狀，需要選擇緊聚焦透鏡並進行光束整形和功率調控。縱向法也存在不同聚焦深度直徑產生變化等問題。也有通過軟體控制同時移動XYZ三維平台直寫螺旋形波導結構的嘗試，但只局限於嘗試。

應用-今生

飛秒激光直寫光波導技術現在已用於無源波導、分束器、耦合器、電光調製器、倍頻光波導、光波導型放大器、光波導激光器等器件的構建，近年用於光量子晶元的構建已成為一個國際性的熱點。材料也不再局限於玻璃，已拓展至晶體、高分子以及透明陶瓷等材料。

飛秒激光直寫光波導技術的目標是實現任意形狀的和圖案化的兼具所設計的折射率分布和低損耗的光波導。除傳統的飛秒激光功率、掃描速度、掃描方式等條件控制外，近年開展了利用柱形稜鏡、狹縫等光束整形技術實現橫截面接近圓形的光波導的探討。另外通過空間光調製器實現並行直寫以提高直寫光波導的效率。在材料方面設計容易產生大的折射率變化的材料體系並在飛秒激光照射時同時誘導其它結構的產生，通過基於異質結構之間的協同效應實現新功能、複合功能和高性能。

未來，基於飛秒激光時空整形技術的低損耗光波導直寫將成為必然趨勢。飛秒激光的特點決定了與其它激光和離子束等相比，其具有更多可供選擇的維度，如脈寬、偏振態、相位、時空啁啾狀態、脈衝前傾等，其決定了波導結構形態和功能的無限可能性，已有產品如巧妙利用光在界面反射的飛秒激光直寫直角拐彎型波導列陣應用於光通信系統。隨著飛秒激光價格的進一步降低，飛秒激光應用將越來越廣泛，不斷會有新的飛秒激光直寫光波導關聯產品投放市場。

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