飞秒激光加工铌酸锂晶体：原理与应用（英文）

由于具有超短的脉冲宽度和极高的峰值强度,飞秒激光微加工是一种有效的材料加工方法,已广泛应用于光子集成器件的加工。铌酸锂晶体具有优异的电光、非线性光学和压电特性,是集成光学和导波光学中常见的材料。本文综述了飞秒激光对铌酸锂晶体的处理,重点介绍了飞秒激光加工的物理原理及其制备的铌酸锂基光子器件的最新进展。飞秒激光技术使铌酸锂晶体在微纳光子学领域具有广阔的应用前景。     

超低损耗铌酸锂光子学

铌酸锂光子集成是推动未来高速光通信和光信息处理领域变革性发展的重要前沿技术。介绍了利用铌酸锂光子芯片制造技术制备集成光路中关键光子结构与器件的最新研究进展。得益于单晶铌酸锂晶体的高非线性系数和强电光效应,利用制备的高性能铌酸锂光子器件演示了多种高效的非线性光学过程。     

绝缘体上铌酸锂薄膜片上光子学器件的研究进展

铌酸锂晶体具有卓越的电光和非线性光学性质,一直以来都被认为是最有前景的集成光子学基质材料之一.也正是由于铌酸锂晶体多方面优良的光学性能,近年来新兴的铌酸锂薄膜技术在集成光子学的研究中受到了极大的关注.借助于先进的微纳加工技术,许多高性能的铌酸锂集成光子学器件已经得以实现.本文总结了几种微纳加工技术在基于铌酸锂薄膜的片上光子学器件制备中的应用,介绍了铌酸锂薄膜片上光子学器件的最新进展,并展望了其在集成光子学研究中的潜在应用.     

铌酸锂薄膜上的非线性频率变换

铌酸锂晶体是一种综合性质优异的多功能光学材料。在过去几十年里,对铌酸锂晶体的研究一直是光学研究的热点之一。近年来发展起来的绝缘体上铌酸锂(LNOI),亦称为铌酸锂薄膜(LNTF),在光学领域被公认为是一项变革性技术。基于LNOI的集成光子器件让铌酸锂晶体又焕发了新生命,再次成为集成光子学的研究焦点。作为最优秀的非线性晶体之一,铌酸锂薄膜在频率转换方面是其他薄膜材料无法替代的。总结了基于铌酸锂薄膜的非线性频率转换最新研究进展,包括二阶非线性、三阶非线性、级联非线性和光学频率梳等,最后对LNOI平台上光子集成回路(PIC)的前景进行了展望。     

铌酸锂集成光子器件的发展与机遇

铌酸锂,作为应用最广泛的非线性光学晶体之一,近十年来由于薄膜铌酸锂晶圆的出现而再次获得了学术界与产业界的关注.基于薄膜铌酸锂的集成光电子器件的优越性能已在诸多应用中得到演示,例如光信息处理、激光雷达、光学频率梳、微波光子学和量子光学等. 2020年,薄膜铌酸锂器件通过光刻技术在6 in(1 in=2.54 cm)晶圆上的成功制备,推动了铌酸锂加工从实验室逐步走向工业化.薄膜铌酸锂光子器件的研究主要聚焦于利用电光、声光和二阶/三阶非线性效应进行光调制或频率转换;最近三年,掺杂稀土离子还成功赋予铌酸锂增益特性,实现了片上铌酸锂放大器和激光器.本文将简略回顾薄膜铌酸锂的发展过程,着眼于集成光子器件,介绍国内外研究组取得的进展、意义以及面临的挑战.     

铌酸锂铁电畴工程及其应用

铌酸锂晶体是目前最重要的人工晶体之一,被誉为“光学硅”.铌酸锂晶体薄膜是最有应用前景的集成光电子学基质材料之一.在过去几十年的研究中,铌酸锂晶体在材料生长、基础研究和器件应用方面取得了巨大进展.利用铌酸锂晶体畴工程制备的周期极化铌酸锂、波导以及导电畴壁在光频率转换、光开关、光调制以及纳米电子器件等领域有重要应用.本文介绍了铌酸锂微米尺寸和纳米尺寸畴结构的制备方法及7个表征方式,并从3个方面介绍了铌酸锂畴工程的应用及其研究进展.     

铌酸锂基光量子器件与集成技术：机遇与挑战

铌酸锂材料具有宽的透光范围和高的非线性光学、电光、声光、热光系数,且化学性能稳定,是理想的光子集成芯片的衬底材料。在量子光学领域,人们已经发展出一系列铌酸锂基集成器件,能够实现光子态的高效率产生、调控、频率转换、存储和异质集成的单光子探测,有望实现全集成的频率态操控、确定性多光子态制备和单光子间相互作用,最终形成全功能集成的有源光量子芯片,推动量子物理基础研究和光量子信息应用发展。文章回顾了基于铌酸锂基量子集成的研究进展,并对其在未来光量子信息时代的机遇与挑战进行探讨。     

飞秒激光加工蓝宝石超衍射纳米结构

蓝宝石具有超强硬度及耐腐蚀、耐高温、在紫外-红外波段具有良好的透光性等优点,在军工业以及医疗器械方面具有广泛的应用前景.然而这些优点又对蓝宝石的机械加工或化学腐蚀加工带来困难.飞秒激光脉冲具有热损伤小、加工分辨率高、材料选择广等特点,被广泛应用于固体材料改性和高精度三维微纳器件加工.本文提出了利用飞秒激光多光子吸收特性在蓝宝石表面实现超越光学衍射极限的精细加工.利用聚焦后的波长为343 nm的飞秒激光,配合高精密三维压电位移台,实现激光焦点和蓝宝石晶体的相对三维移动,在蓝宝石晶体衬底上进行精确扫描,得到了线宽约61 nm的纳米线,纳米线间的最小间距达到142 nm左右.利用等离子体模型解释了加工得到的纳米条纹的产生原因,研究了激光功率、扫描速度对加工分辨率的影响.最终本工作实现了超越光学衍射极限的加工精度,为实现利用飞秒激光对高硬度材料的微纳结构制备提供了参考.     

宽带准连续光纤激光在周期极化铌酸锂中倍频特性的研究

双包层光纤激光器和非线性光学材料(如周期性极化的铌酸锂晶体,PPLN)相结合,开辟了实用性非线性光学器件的一个新领域。研究了准相位匹配周期性极化反转铌酸锂晶体对宽带准连续光纤激光倍频的温度特性和频谱特性。在理论上,从准相位匹配相位失配关系出发,推导了晶体温度与抽运源中心波长的关系以及温度响应带宽,并和已报道实验结果进行了比较,二者符合得很好。此外,还推导了倍频周期极化铌酸锂晶体对抽运基频光源的响应谱线带宽。在实验上,采用长度20mm,极化周期6．5μm,厚度0．5mm的周期极化铌酸锂晶体光纤激光器准连续宽带输出进行了倍频,获得了在不同控制温度下的倍频光光谱,并对此进行了详细分析。     

光纤传感技术中的铌酸锂集成光学

介绍铌酸锂(LiNbO_3)集成光学器件的光纤激光多普勒测速仪、光纤温度传感器和光纤微位移传感器的构造和工作原理。     

光子晶体对nc-Ge/Si岛发光增强的模拟

在Si基集成光电子学的发展中,高效的Si基光源是人们不懈追求的目标。但是Si材料的间接带隙特性导致其发光效率低,更谈不上受激发射。于是人们探索了多种Si基材料体系来提高Si材料的发光效率,并在不同程度上取得了重要的进展。在众多的Si基发光材料体系中,Ge/Si量子点材料,不仅生长工艺与标准的CMOS工艺有很好的兼容性,而且发光波长能够覆盖重要的光通信波段即1.3~1.55μm,因此成为实现Si基发光器件的重要途径之一。但是目前这种材料的发光效率仍很低,所以提高其发光效率自然成为人们关注的焦点。如果将光子晶体引入到nc-Ge/Si材料中,它不仅可以改变材料本身的自发发射特性,而且可以改变发射的光子的提取效率,从而使材料的发光效率得到增强。提出了在Ge/Si量子点材料中引入光子晶体结构来提高其发光效率,包括光子晶体点缺陷腔结构和带边模式工作的完整光子晶体结构,并从理论上分析了发光效率提高的原理。针对发光波长在1.5μm附近的材料结构,模拟出了相应的光子晶体的结构参数。从模拟结果可以看出,对于缺陷腔的光子晶体结构,采用单点缺陷微腔很好地实现了单模运作,但是微腔内有源材料的体积很小,因此得到的发光效率很低。而采用耦合缺陷腔的结构和H₂腔都增加了腔内有源区的体积。但是耦合腔与H₂腔相比,谐振腔模减少,主谐振模式的峰值强度增加,更容易实现单模发光。因而更适用于提高nc-Ge/Si的发光效率。而带边模式工作的光子晶体结构,尺寸较大,不需引入缺陷,工艺上更容易实现。     

Ultrafast photonic crystal optical switching

Photonic crystal, a novel and artificial photonic material with periodic dielectric distribution, possesses photonic bandgap and can control the propagation states of photons. Photonic crystal has been considered to be a promising candidate for the future integrated photonic devices. The properties and the fabrication method of photonic crystal are expounded. The progresses of the study of ultrafast photonic crystal optical switching are discussed in detail.     

Analysis of two-dimensional photonic band gap structure with a rhombus lattice

The relative band gap for a rhombus lattice photonic crystal is studied by plane wave expansion method and high frequency structure simulator (HFSS) simulation. General wave vectors in the first Briliouin zone are derived. The relative band gap as a function of air-filling factor and background material is investigated, respectively, and the nature of photonic band gap for different lattice angles is analyzed by the distribution of electric energy. These results would provide theoretical instruction for designing optical integrated devices using photonic crystal with a rhombus lattice.     

Tunable photonic crystal circuits: concepts and designs based on single-pore infiltration

We demonstrate that the infiltration of individual pores of certain two-dimensional photonic crystals with liquid crystals and (or) polymers provides an efficient platform for the realization of integrated photonic crystal circuitry. As an illustration of this principle, we present designs for monomode photonic crystal wave-guides and certain functional elements, such as waveguide bends, beam splitters, and waveguide intersections. These devices exhibit very low reflection over broad frequency ranges. In addition, we discuss the inherent tunability of these devices that originates in the tunability of the infiltrated material.     

石墨烯-硅基混合光子集成电路

近年来硅基光子学已经慢慢走向成熟,它被认为是未来取代电子集成电路,实现下一代更高性能的光子集成电路的关键技术.这得益于硅基光子器件与现代的互补金属氧化物半导体工艺相兼容,能够实现廉价的大规模集成.然而,由于受硅材料本身的光电特性所限,在硅基平台上实现高性能的有源器件仍然存在着巨大挑战.石墨烯-硅基混合光子集成电路的发展为解决这一问题提供了可行的方案.这得益于石墨烯作为一种兼具高载流子迁移率、高电光系数和宽带吸收等优点的二维光电材料,能够方便地与现有硅基器件相集成,并充分发挥自身的光电性能优势.本文结合我们课题组在该领域研究的一些最新成果,介绍了国际上在石墨烯-硅基混合光子集成电路上的一些重要研究进展,涵盖了光源、光波导、光调制器和光探测器四个重要组成部分.     

Enhanced Terahertz Phonon Polariton in Lithium Niobate Chip

Terahertz (THz) phonon polaritons, fundamental quasi-particles that couple lattice vibrations with electromagnetic fields at THz frequencies, are found in a variety of materials that offer the potential for a wide range of THz optoelectronic devices and on-chip integrated systems. However, these compact devices and on-chip systems are hampered by the absence of on-chip powerful THz phonon polariton sources. In this study, the efficient generation and amplification of THz phonon polaritons are proposed and directly visualized on a lithium niobate (LN) chip via a tilted pulsefront phase matching technique. By combining lateral pumping and phase matching schemes, two orders of magnitude are successfully attained in the interaction distance between the pump light and the LN chip, accompanied by a substantial amplification of generated THz phonon polariton. The results of this study may lead to abundant potential applications in chip scale THz photonic devices and systems based on LN materials and its integrated heterostructures.     

Chalcogenide glass photonic crystals

All-optical switching devices are based on a material possessing a nonlinear optical response, enabling light to control light, and are enjoying renewed interest. Photonic crystals are a promising platform for realizing compact all-optical switches operating at very low power and integrated on an optical integrated circuit. In this review, we show that by making photonic crystals from a highly nonlinear chalcogenide glass, we have the potential to integrate a variety of active devices into a photonic chip. We describe the fabrication and testing of two-dimensional Ge₃₃As₁₂ Se₅₅ chalcogenide glass photonic crystal membrane devices (waveguides and microcavities). We then demonstrate the ability to post-tune the devices using the material photosensitivity. In one proposal we hope to introduce a double-heterostructure microcavity using the photosensitivity alone.     

Integration, processing and performance of low power thermally tunable CMOS-SOI WDM resonators

Ring waveguide resonating structures with high quality factors represent a key component in silicon photonic links. We demonstrate experimentally and validate numerically spectral tuning with a high efficiency of photonic ring structures when manufactured in a commercial 130?nm SOI CMOS technology with localized removal of back-side substrate using silicon micromachining methods. A comprehensive analysis is reported on the thermal tuning efficiency of tunable ring devices as a function of the ring’s size, type of thermal tuner and amount of back- and front-side post-CMOS micromachining. We further propose a path to maintain a high tuning efficiency of photonic devices with partially or completely removed SOI silicon substrate upon their hybridization to electronic driver chips. Such a platform opens up additional options for increased on-chip system functionality and dense integration in 3-D.     

飞秒激光制作微型光纤干涉传感器的研究进展

飞秒激光脉冲持续时间短、峰值功率高,在对物质进行处理过程中热作用区域小、加工精度高,已成为一种制作高性能、新结构光子器件的重要方法。简单介绍了飞秒脉冲激光微加工的方法和特性,归纳了飞秒激光直写技术在光纤干涉型传感器制作方面的研究进展,包括微型光纤Fabry-Perot干涉传感器和微型光纤Mach-Zehnder干涉传感器,重点介绍了这些光纤传感器的结构、特性和潜在应用。对用该技术制作的微型光纤干涉传感器进行了总结和展望。     

1×4光子晶体波导分束器的特性

在完整的二维光子晶体中引入线缺陷,形成了光子晶体波导,光子晶体波导分束器是集成化光学电路的重要组成元件。我们设计了一种线缺陷1×4光子晶体分束器,并且用有限时域差分法研究了它的特性。研究表明,输出端的透射传输特性与入射光的波长和分支的几何形状有关,并且入射波分别相等地流入四个输出端口。为了减少1×4分束器在三个Y型分支区的反射,可以通过调节在分支区的可调介质柱的半径R,使每个输出端口具有很高的透射率。