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(AWGs)功能性激光寫入陣列波導(dǎo)光柵的制造

飛秒激光直寫技術(shù)制造的功能陣列波導(dǎo)光柵（AWG）。

這種制造技術(shù)是光刻的無(wú)掩模替代技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性和快速原型制作。它非常適合新應(yīng)用的定制小規(guī)模生產(chǎn)，我們非常樂(lè)承接您的代工需求,例如幾何光波導(dǎo)、陣列光波導(dǎo)和相應(yīng)的波分復(fù)用器件。

目前AWG是通過(guò)光刻技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)的。然而，在為新應(yīng)用開發(fā) AWG 時(shí)，用于原型設(shè)計(jì)和特定設(shè)備的小規(guī)模制造運(yùn)行既昂貴又耗時(shí)。快速制造集成光子電路的最新替代方案是飛秒（fs）激光直寫技術(shù)[ Fabrication and characterization of photonic devices directly written in glass using femtosecond laser pulses]。該技術(shù)可以快速且經(jīng)濟(jì)高效地制造設(shè)備，

例如：三維分光器 [ three dimensional splitters ]、波導(dǎo)激光器（waveguide lasers）、光子燈籠（photonic lanterns）、恒星干涉儀（ stellar interferometers ）和集成多模濾波器 (integrated multi-mode filters ).

Arrayed Waveguide Gratings 陣列波導(dǎo)光柵 (AWG) 于 1988 年首次由 MK Smit 提出，作為用于波分復(fù)用的緊湊型（解）復(fù)用器（New focusing and dispersive planar component based on an optical phased array）。自誕生以來(lái)，在電信行業(yè)的推動(dòng)下，使用光刻技術(shù)制造的 AWG 已被廣泛設(shè)計(jì)，成為高度可靠、緊湊和低損耗的設(shè)備。這些屬性使 AWG 能夠成功應(yīng)用于其他集成傳感應(yīng)用，例如：譜域光學(xué)相干斷層掃描、小型化拉曼光譜、緊湊型生物醫(yī)學(xué)傳感器以及天文攝譜儀。

由光波導(dǎo)技術(shù)延申、量子比特（qubit）是量子計(jì)算機(jī)和量子互聯(lián)網(wǎng)的基本構(gòu)建塊。量子光源產(chǎn)生可用作量子比特的光量子（光子）。片上光子學(xué)已成為處理光量子態(tài)的領(lǐng)先平臺(tái)，因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用，并且允許在單個(gè)芯片上容納和排列許多元件。在這里，光通過(guò)極其緊湊的結(jié)構(gòu)引導(dǎo)到芯片上，這些結(jié)構(gòu)用于構(gòu)建光子量子計(jì)算系統(tǒng)。

AWG 的工作原理如下（見圖)：光通過(guò)單模波導(dǎo)注入大的自由傳播區(qū) (FPZ)。FPZ 是大的折射率修改區(qū)域，使光能夠在水平面內(nèi)自由衍射，同時(shí)被限制在垂直面內(nèi)。然后通過(guò)錐體陣列同相捕獲該平板模式。這些錐度絕熱地將平板模式引導(dǎo)到波導(dǎo)陣列中，從而減少模式失配，從而減少損耗。陣列的每個(gè)波導(dǎo)都比相鄰的波導(dǎo)逐漸長(zhǎng)，從而在波導(dǎo)陣列上產(chǎn)生類似于體衍射光柵的相位傾斜。然后，這些波導(dǎo)被注入第二個(gè) FPZ，其中每個(gè)波長(zhǎng)的光發(fā)生相長(zhǎng)干涉，在輸出處產(chǎn)生水平分散的光譜。AWG 類似于衍射光柵，根據(jù)設(shè)計(jì)，輸出可能有多個(gè)衍射級(jí)。

鑒于工藝保密的要求，我們公布一個(gè)可查詢的制作過(guò)程：

AWG 使用超快鈦藍(lán)寶石振蕩器制造，該振蕩器發(fā)射 50 fs 脈沖，重復(fù)率為 5 MHz，中心波長(zhǎng)為 800 nm。使用 40 ×、0.65 NA 顯微鏡物鏡，將光在 170 μm深度處聚焦到堿土金屬硼鋁硅酸鹽玻璃樣品中 (Corning Eagle 2000)。由于焦點(diǎn)處的非線性吸收，玻璃的折射率可以局部改變。通過(guò)在一組 Aerotech 3 軸空氣軸承平移臺(tái)上移動(dòng)樣品，樣品內(nèi)焦點(diǎn)的位置就會(huì)移動(dòng)，留下折射率修改的區(qū)域。

使用 55 nJ 的脈沖能量和 2000 mm/min 的平移速度寫入修改。這些寫入修改創(chuàng)建了 633 nm 的單模波導(dǎo)，寬度為 4.8 ± 0.2 μm，模場(chǎng)直徑為 7.3 × 8.1 μm (1/ e ² )。波導(dǎo)的傳播損耗為 0.82 dB/cm。使用逆亥姆霍茲技術(shù)[ 測(cè)定了1.5×10 ^-3的峰值折射率對(duì)比度。這些修改可以進(jìn)行多次掃描，以形成可以充當(dāng) FPZ 和錐形區(qū)域的平板波導(dǎo)。使用 0.4 μ的多重掃描間距m，創(chuàng)建了折射率均勻性為 1.97%（標(biāo)準(zhǔn)偏差）的均勻板。高轉(zhuǎn)換速度可在大約 100 分鐘內(nèi)完成單個(gè) AWG 的刻錄。這相當(dāng)于對(duì)樣本進(jìn)行 2,300 次掃描來(lái)創(chuàng)建 FPZ。通過(guò)使用空間光調(diào)制器將多個(gè)光束同時(shí)聚焦到材料中，可以進(jìn)一步縮短總制造時(shí)間。所展示的單獨(dú) AWG 設(shè)備在初始制造后 1.5 年后仍能正常工作，表明這種修改是永久性的。

創(chuàng)作者信息：

G. Douglass