3.設(shè)計(jì)三維光子集成結(jié)構(gòu)

飛秒激光直寫技術(shù)為在透明基底上制造三維光子集成電路（PIC）提供了巨大的潛力。然而，該技術(shù)面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何在激光照射區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑且較大的折射率變化，這阻礙了緊湊型光子集成電路的開發(fā)。

發(fā)表在《中國(guó)科學(xué)：物理、力學(xué)、天文學(xué)》（Science China Physics, Mechanics & Astronomy）上的一項(xiàng)研究解決了這一問題，提出了一種顯著抑制小曲率半徑波導(dǎo)彎曲損耗的方法，從而為縮小三維光子集成電路鋪平了道路。

所提出的方法包括利用飛秒激光直寫技術(shù)在熔融石英中刻入多條修改軌道，從而增強(qiáng)折射率對(duì)比度，并成功降低彎曲波導(dǎo)中的彎曲損耗。這一突破有望提高三維光子器件的集成密度和靈活性。

4.介電材料中的三維微納米結(jié)構(gòu)

飛秒激光輻照后化學(xué)蝕刻（FLICE）利用激光誘導(dǎo)的化學(xué)特性變化，選擇性地蝕刻激光修飾區(qū)域。這使得復(fù)雜的三維微觀和納米結(jié)構(gòu)可以直接寫入介電材料內(nèi)部。FLICE 已被用于在眼鏡中創(chuàng)建微流體和三維光流體的嵌入式中空微結(jié)構(gòu)。

最近的工作已在 YAG 和藍(lán)寶石等晶體中實(shí)現(xiàn)了超過 100,000 的超高蝕刻選擇性。這使得三維光子晶格、波導(dǎo)和納米孔在納米尺度上得以實(shí)現(xiàn)，而無需破壞晶體。

5.表面光刻技術(shù)

作為一種無掩模、高精度的三維加工技術(shù)，飛秒激光加工可以在薄膜鈮酸鋰等材料上進(jìn)行表面光刻。這一突破成功地克服了材料集成方面的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了高性能光子元件的制造。

例如，研究人員利用飛秒激光輔助化學(xué)機(jī)械拋光光刻技術(shù)（CMPL）在鈮酸鋰芯片上制造出了低損耗波導(dǎo)和高Q值微諧振器。這種加工策略具有很強(qiáng)的潛力，可將不同的晶體平臺(tái)功能化，用于集成光子學(xué)。

6.高速、高質(zhì)量硅燒蝕

使用飛秒激光進(jìn)行硅燒蝕是指利用超短脈沖群精確地去除硅基片上的材料。這一過程在精密光子學(xué)中至關(guān)重要，它能以最小的熱損傷創(chuàng)建復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，從而制造出高質(zhì)量的光學(xué)設(shè)備，如光波導(dǎo)。

理化學(xué)研究所先進(jìn)光子學(xué)中心的研究人員開發(fā)出了一種名為 BiBurst 模式的新技術(shù)，它使用以 MHz 包絡(luò)線分組的 GHz 飛秒激光脈沖猝發(fā)來實(shí)現(xiàn)高效和高質(zhì)量的硅燒蝕。這些研究成果發(fā)表在《國(guó)際極端制造期刊》上。

研究小組證明，利用 BiBurst 模式，硅燒蝕的速度是單脈沖模式的 4.5 倍，而且質(zhì)量更優(yōu)。其機(jī)理涉及后續(xù)脈沖對(duì)前面脈沖產(chǎn)生的吸收點(diǎn)的吸收，從而提高了效率。這一突破將對(duì)飛秒激光加工的基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)生重大影響，從而提高吞吐量和微加工精度。

7.制造量子光子處理器

飛秒激光寫入（FLW）因其低成本、簡(jiǎn)便性和快速原型設(shè)計(jì)能力而在無源和可重構(gòu)集成光子電路領(lǐng)域脫穎而出。該技術(shù)的快速可重構(gòu)性使其對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室的初始階段評(píng)估具有重要價(jià)值。

發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》上的一項(xiàng)研究采用 FLW 技術(shù)制造了一個(gè)可編程的雙量子比特量子光子處理器。制造出的 FLW 量子處理器實(shí)現(xiàn)了高保真，單量子比特門達(dá)到 99.3%，雙量子比特 CNOT 門達(dá)到 94.4%。

盡管存在傳播損耗和低折射率對(duì)比等挑戰(zhàn)，F(xiàn)LW 芯片與標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的耦合損耗自然很低，這為量子光子實(shí)驗(yàn)提供了優(yōu)勢(shì)。

結(jié)論

飛秒激光加工正迅速成為推進(jìn)光子制造的關(guān)鍵技術(shù)，為設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)帶來新的可能性。目前的發(fā)展表明，未來幾年飛秒激光加工在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的影響將繼續(xù)擴(kuò)大。

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