研究背景

光信息技术的不断发展给予了人类处理超高速、大容量信息的能力，使得人类逐步从电子时代向光子时代过渡。光波导结构可以让光波沿着特定方向传播，是光信息传输和处理过程中最重要、最基础的结构之一。

近年来集成光芯片的概念被提出，同时受到了众多领域科研人员的关注，可集成化的光波导结构制备也是研究热点之一。传统的波导制备方法包括外延层沉积、离子注入、光刻等，但是加工工艺复杂，且主要可实现表面的平面波导结构制备，很难实现形状可控、结构稳定的三维光波导结构。飞秒激光写入技术自从1996年被首次应用到玻璃材料中制备光波导结构，目前已经在熔融石英、激光晶体、非线性晶体等诸多材料中实现了真三维光波导结构的制备。而与应用广泛的圆形光波导——光纤相融合，实现光纤-波导-光纤型的集成结构才是未来同时实现集成光芯片、远距离光信息传输与处理的唯一解决办法。这要求充分利用飞秒激光写入技术特点，制备在结构特性、导波特性等多个方面需要与光纤相匹配兼容的光波导器件。

研究亮点

南开大学现代光学研究所的武鹏飞教授课题组近期成功在镨离子掺杂的钇铝石榴石晶体中利用飞秒激光直写技术制备了圆形包层光波导结构，并研究了光波导结构的荧光和微拉曼光谱特性，同时分别在理论上和实验上实现了导波模式的仿真与验证，并且印证了飞秒激光直写技术加工的晶体光波导结构是完全可以与光纤结构相融合，性能完全可以与光纤结构相匹配的。圆形波导结构的直径分别为60、100、120微米，与光纤尺寸相当，波导传输损耗最低可为0.13 dB/cm，同时实验与仿真都表明，这种波导结构均具有支持LP1n模式传输的导波特性。除此之外，由于加工过程飞秒激光仅仅被聚焦在写入痕迹区域，也就是包层区域，波导区域晶体材料的拉曼和荧光特性都被非常好地保留了下来，这也说明所制备波导结构后续有作为激光增益介质，实现波导激光、光放大等功能器件的潜在可能。

图1 不同尺寸波导对应的光学显微镜图、端面耦合近场光强分布及模式仿真结果

该工作以“Circular cladding waveguides in Pr:YAG fabricated by femtosecond laser inscription: Raman, luminescence properties and guiding performance”为题发表在英文期刊Opto-Electronic Advances 2021年第2期。

研究团队简介

南开大学现代光学研究所的武鹏飞教授、刘洪亮博士课题组连续在多个研究方向取得了突破性的研究成果。课题组的研究方向包含微纳光学功能器件、飞秒激光微加工、离子束改性材料、激光光谱探测和成像等。近年来，组内老师和研究生连续在国内外高水平刊物上发表近20篇文章，包括Nanophotonics, Crystal Growth & Design、Optics Express、Applied Physical Letters、Applied Surface Science、Chinese Optics Letters等，其中数篇文章被遴选为Editor's Pick、Supplementary Cover文章，同时部分工作被著名期刊Laser Focus World专题报道。课题组目前取得多项相关专利授权。论文的第一作者为电子信息与光学工程学院2018级研究生杨全鑫，通讯作者为刘洪亮博士，南开大学为第一作者单位和通讯作者单位。本项研究工作受到了国家自然科学基金委、天津市科技局、晶体材料国家重点实验室等单位的支持。