光子集成电路 (PIC) 需要在块状衬底材料（如今主要是玻璃）上紧凑地集成光子器件。但玻璃有局限性，因此牛津大学（英国）的研究人员正在探索将蓝宝石作为替代基板材料。

在蓝宝石中构建高质量的集成光子电路可以为通信、传感或量子计算等应用开辟众多可能性。

“任何紧凑型光子电路的基本构建块都是波导，”牛津大学工程科学系研究员 Mohan Wang 说。“我们可以使用激光制造以设计的图案‘写入’波导阵列。当我们将光注入其中时，光会沿着设计的路径传播，因此我们有可能在蓝宝石中写入数百个波导以实现非常复杂的功能。”

飞秒激光器可以在蓝宝石中写入波导

飞秒激光可以将这些波导写入块状材料内部，因为它具有极高的强度并且可以聚焦到微米级。“这会导致焦点体积内材料内部的非线性电离，从而导致折射率发生变化，”Wang 说。“从飞秒激光和我们的蓝宝石块状材料之间的相对运动——安装在三维纳米精度平台上——沿着设计的轨迹，我们可以在蓝宝石基板上编写我们设计的集成光子学。”

波导由相对于其周围区域具有更高折射率的材料区域形成，集成光子学中最常见的材料是玻璃。

“将玻璃暴露在飞秒激光下会增加其折射率，因此通过沿样品内部扫描激光可以直接写入波导，”Wang 说。“但在晶体中，激光会降低折射率。所以我们不是在我们想要波导的地方写，而是在它的外面写，以降低周围的折射率。这被称为凹陷包层波导，我们在之前的蓝宝石光纤工作中使用过它。”

与该小组之前在蓝宝石方面的工作相比，他们改进了工艺并减少了波导的光损耗。它使他们现在能够编写 4 厘米长的波导，这反过来意味着他们可以编写更复杂的结构，如 1:2 分离器（见图）。

一旦该小组优化了他们的波导构建块，他们就会对其进行多次复制。“过程控制非常好，结果都一样，”Wang 说。“在这一点上，我们知道集成蓝宝石光子芯片是一个现实的前景。”

校准激光写入过程

然而，在此过程中面临的一大挑战是难以校准激光写入过程。

Wang 解释说，折射率变化“对于设计优化结构至关重要”。“对于晶体来说尤其如此，因为它们具有高折射率，而许多折射率测量具有破坏性。但是编写光子电路需要对激光修改配置文件进行非常精确的控制，因此快速进行表征也是可取的。”

为了快速完成，研究人员编写了一个线性阵列设计来提供独特的输出模式。图案与折射率变化直接相关，可作为指纹。“通过将模式与一组模拟结果相关联，我们可以识别折射率调制，”Wang 说。“它可以在每次制造运行之前实现快速而稳健的校准。”

由于蓝宝石是一种非常坚硬且有弹性的材料，“它可以承受高达 2000°C 的超高温和高辐射，”该项目的首席研究员 Julian Fells 说。“这些特性使其适用于航空航天、太空和发电等极端环境。它还具有非常宽的中红外光谱窗口，可以在其中找到医疗应用。通过增加光子电路的复杂性，可以实现更高性能的传感器和设备。”

正如该团队最近在 CLEO 上分享的那样，他们已经展示了光子芯片的基本构建模块，现在正积极致力于减少损耗并进一步扩展电路的复杂性。