利用超快激光实现隐形光子电路

从小型生物传感器和光谱仪到隐形器件和量子计算机，集成光子学的相关应用越来越受到人们的追捧。与光纤一样，集成光子电路中的导光是通过局部增加材料的折射率（RI）来实现的。超快激光写入是透明材料中唯一允许三维RI改性的技术，因此可以直接制备三维光子器件。继90年代末激光首次在玻璃中写入光子通道之后，人们相信这项技术将很快成为集成光子学制造的首选工具。然而，尽管进行了大量的努力，激光诱导的RI变化的幅度仍然有限，从而阻碍了需要高RI变化的弯曲光通道紧凑器件的制造。

加拿大拉瓦尔大学光学、光子学和激光中心（COPL）的Jerome Lapointe博士及其同事在一篇发表在《光：科学与应用Light: Science & Applications》杂志上的新论文中发现了一种与激光加工材料的电子共振有关的物理现象，该现象解决了RI的变化问题。利用这一新的概念，科学家们展示了具有微米级弯曲半径的光子通道，这在三维空间中是不可能实现的。例如，这项新技术有可能使三维光子学电路显著小型化，使光子应用在同一芯片上的集成度更高，或增加光学量子计算机的容量。

上图中，a是超快激光写入装置。b是ZnSe晶体中激光写入波导（水平线）顶视图的显微镜图像，可以通过不同颜色观察。在光谱的红色部分（约625nm），波导几乎是看不见的。c、d、e，是光信息通过曲率半径为363μm的弯曲波导。在这项工作之前，还没有实现具有亚毫米弯曲的三维波导。

这些科学家解释了他们的发现：“我们发现飞秒激光脉冲可以局部和永久地改变材料的电子共振。根据数学定义，RI指数依赖于作为光频率（或颜色）函数的材料的电子共振。然后我们证明光子电路可以利用这种现象在材料的透明区域。在这个区域里，RI（这是光子电路的基础）的变化可以达到非常大的正值，从而允许在小型光子电路中进行光引导。”

欧洲科学家最近利用激光写入技术制造了量子计算机组件。这些量子器件有5到10厘米长。我们的发现表明，同样的量子器件可能要小10倍以上。这是非常有希望的，因为任何一台计算机的计算能力都与芯片上组件的数量成正比。

令人惊讶的是，科学家们观察到，当红光通过电路时，电路是看不见的。他们发现，根据材料和激光写入条件，某些颜色的电路变得不可见。科学家们用暗示电子共振变化的同样理论解释了这一现象。这一新概念为隐形光子应用铺平了道路，这些应用可以被放置在手机屏幕、汽车挡风玻璃和工业显示器上。

“我们发现，由电子共振变化引起的正RI变化可以精确地补偿由结构膨胀引起的负RI变化（两者都是由激光写入引起的），从而导致某些颜色的零RI变化。据我们所知，这是一种直接制造隐形结构的新概念。“科学家们预测，工作频率的高RI变化和多种频率的不可见性的有益结合，可能有助于在手机屏幕上实现一些隐身的应用。

原文链接：https://phys.org/news/2020-05-invisibility-concept-miniaturization-photonic-circuits.html