飞秒激光直写BGO晶体S型双线波导实现中红外波段稳定传输

为解决中红外(MIR)光子集成中双线波导传输受限的问题，研究人员采用飞秒激光在Bi4Ge3O12(BGO)晶体中成功制备了基于Type-II改性的S型双线波导，实现了50-150 μm横向偏移的弯曲传输，在4 μm波长下弯曲损耗<1.6 dB/cm，为MIR光子电路提供了新方案。

　　

在光子集成领域，中红外(MIR)波段的光传输技术因其在环境监测、医疗诊断等领域的应用潜力而备受关注。然而，传统双线波导由于核心尺寸限制（<20 μm），难以实现MIR波段的有效传输，严重制约了光子器件的集成化发展。针对这一瓶颈，山东大学的研究团队创新性地选择立方晶系BGO晶体(Bi₄Ge₃O₁₂)作为载体，利用飞秒激光直写技术成功构建了S型弯曲双线波导，相关成果发表于《Optical Materials》。

研究团队采用120 fs脉宽的Ti:Sapphire激光系统，通过精确控制脉冲能量(0.8 μJ)和扫描速度(50 μm/s)，在BGO晶体内部形成间距12 μm的Type-II改性双损伤线。这种改性方式通过激光诱导的晶格压缩应力，在损伤线间形成折射率提升区域，从而构建出能保持晶体本征特性的波导核心。

Experiments in details
通过优化激光参数（波长796 nm，重复频率1 kHz），在2×10×10 mm³的BGO晶片中制备了直线及三种不同曲率的S型波导（横向偏移50/100/150 μm）。采用633 nm、1064 nm和4 μm三个波长系统评估了波导性能。

Results and discussion
显微观察显示波导核心完美保留晶体原始结构（黄色标记区域）。在4 μm波长下，实验测得模式场分布与仿真结果高度吻合，验证了MIR波段的有效传输。特别值得注意的是，所有弯曲波导的传输损耗均低于1.6 dB/cm，其中150 μm偏移波导展现出最优的弯曲性能。

Summary
该研究首次实现了BGO晶体中MIR波段双线波导的弯曲传输，突破了传统双线波导的波长限制。通过Type-II改性技术，不仅保持了晶体的非线性光学特性，还显著提升了波导的热稳定性。这项技术为开发基于晶体波导的MIR光子集成电路提供了新思路，在量子通信、高功率激光系统等领域具有重要应用价值。研究获得国家自然科学基金（12204261）和山东省自然科学基金（ZR2022QA059）等项目的支持。