集成光子学的发展在很大程度上取决于芯片上光波导的损耗程度。近年来，不管是硅基光子学中的 CMOS 蚀刻技术，还是飞秒激光写入技术，工程师们在刻蚀这些微米级光波导的方法上取得了长足的进步。
然而，用于创建这种微米级光波导的许多技术都有一个缺点，那就是很难构建横截面沿传播方向以可控、特定的方式变化的波导，目前微纳光波导限于二维的方形、椭圆、圆形横截面，这给光子芯片和量子芯片的功能以及损耗上面带来了很多限制。如果可以精准控制波导形状，则可以为光子芯片上的偏振操纵、高效模式转换和其他功能开辟新的途径。
近日，英国牛津大学和伦敦帝国理工学院、以色列内盖夫本古里安大学、奥地利因斯布鲁克医科大学和中国吉林大学的研究人员共同开发了一项称之为球形相位诱导多核 (SPIM) 波导技术的新方法来设计这种高性能、可变横截面波导（Light Sci. Appl., doi: 10.1038/s41377-022-00907-4）。该技术结合了飞秒激光写入和自适应光学，可精确控制波导的折射率分布，能够高效的制作出任意的、三维横截面可变化的低损耗高性能微纳米波导，且用时仅有几分钟。研究人员还展示了这些波导在光束旋转、偏振控制和模式转换等功能中的应用，以便与单模光纤连接。
图1 国际研究团队开发了一种用于集成光子学的快速制造可变截面波导技术，该技术有望应用于模式转换、偏振控制和光束旋转等方面。
虽然目前有许多技术可以为波导增加一些横截面的可变性，但每种技术都有它的缺点。比如，对于硅基硅波导而言，传统的 2D 蚀刻技术不容易适应 3D 变化。同样，在飞秒激光写入中，可以使用所谓的“经典多扫描”技术构建可变截面波导，该技术涉及堆叠多个激光扫描，以实现波导锥形和其他几何形状。但是使用飞秒激光写入技术制作的光波导具有高度各向异性，有可能一个横向方向的精细控制不到半微米，而另一个横向方向的粗分辨率高达 8 微米。这样就会导致在同一波导的区域中出现奇怪的折射率结构和正负折射率变化。
为了克服上述限制，联合研究团队以飞秒激光写入的多扫描技术为基础，并使用自适应光学技术大幅提高了其刻蚀精细形状、可变截面波导的能力。他们首先将空间光调制器 (SLM) 对准 0.5 NA 物镜，聚焦来自 514-nm、170-fs、1-MHz 重复率激光器的脉冲。研究人员可以使用SLM 改变光相位，以纠正由系统设置引入的像差以及空气和波导之间的折射率不匹配。 同时也能够调整光束强度剖面的主球差——用自适应光学中使用的Zernike多项式的语言来说就是“Z11”模式。
研究人员通过大量的反复实验发现，向负方向调整 Z11 可以将更多的能量发送到激光焦点的底部，从而刻蚀出波导。反过来讲，由此可以在每次激光扫描中更精确地控制波导的折射率分布，并在水平和垂直方向上实现更高的分辨率，他们使用 3D 断层显微镜测量进行了验证。该组负责人称，用 SLM 调整 Z11 模式还解决了正负折射率变化的复杂区域，解决了传统多扫描技术的困扰。
团队通过该技术在硼硅酸盐玻璃中成功制造出各种波导形状。其中包括用作光束旋转器的扭曲波导，用作绝热模式转换器和光纤耦合器锥形和扁平波导以及能够对特定目标波长进行偏振控制的芯片结构。
测量结果表明，波导的传播损耗为 0.14 dB/cm，耦合损耗仅为 0.19 dB，均处于较低水平。 实验中，超过 95% 的光从单模光纤尖端耦合到 SPIM 波导模式转换器之一的圆形面。使用该工艺制造的波导可以在可见光到红外线的宽波长范围内工作。 SPIM 波导制作所需的时间很短，只需一到两分钟。
研究人员表示 SPIM 波导技术在芯片模式转换和模式匹配结构方面具有广泛的应用前景，尤其是对信息流量管理和集成光子学的光耦合必不可少。他们认为如果把该技术应用于量子技术中，减少的耦合损耗可以大大提高量子芯片的效率。
