综述：迈向集成光子学：GeO（含2% PbO的玻璃）中利用飞秒激光写入的双线波导技术综述

《Optical Materials》：Towards Integrated Photonics: a review of femtosecond laser-written double-line waveguides in GeO 2-PbO glasses

　　**Thiago Vecchi Fernandes** | **Niklaus Ursus Wetter** | **Wagner de Rossi** | **Luciana Reyes Pires Kassab**
巴西圣保罗大学理工学院电子系统工程系，Av. Prof. Luciano Gualberto, 158, Travessa 3, 圣保罗, SP

**摘要**
本文综述了利用飞秒（fs）激光辐照在GeO2–PbO玻璃中刻写光波导的制备与表征方法。飞秒激光刻写技术具有显著优势，如三维结构化、高精度以及对周围材料的热影响最小化，从而能够在透明基底上制造复杂的光子器件。讨论涵盖了多种情况，每种情况来自不同的样品，并在独立的研究中报告：掺杂Yb3+/Er3+的直波导（工作于第三电信窗口）、掺杂Nd3+的直波导（含/不含Ag纳米颗粒），以及等离子体效应对1064 nm处光学性质的影响。文中还回顾了含有Ag纳米颗粒的S型弯道和Y型波导的结构，因为它们在共振环和分束器中的应用具有重要意义。此外，还讨论了较大半径的影响以及最佳Y型波导结构（关于开口角和各分支之间的距离）。所提出的结构的品质因数（M2）用于评估x轴和y轴之间的对称性，这对于指示光引导性能至关重要。本文重点介绍了不同结构及其光学特性，并探讨了其在集成光子学中的潜在应用。

**1. 引言**
近年来，电信领域经历了显著的发展，主要得益于全球对互联网连接需求的增加。数据处理速度的持续提升，加上无线互联网设备的广泛采用，推动了带宽需求的快速增长。这种需求的增长迫使电信公司积极研究并实施更高效、更先进的数据传输技术。在此背景下，光通信技术成为关键领域，而波导技术在满足基础和高级应用需求中起着核心作用。基于波导结构的单片激光源的创新集成，为集成光学领域开辟了许多新的机遇和可能性[1]。这些进展包括：实现脉冲光发射的Q开关波导激光器[2]、提供稳定高效光源的紧凑型固态波导激光器[3]，以及利用精确飞秒激光刻写技术制造的双掺杂波导[4]等前沿技术。从功能上讲，波导通过将光限制在明确的空间区域内，成为关键的光子组件。这种限制机制使得波导共振腔内的光强度相对于周围材料显著增强[1] [5]，这对各种光学过程和器件功能至关重要。
在这种背景下，重金属氧化物玻璃已成为很有前景的替代品，其性能可与传统硅基光纤相媲美甚至超越。特别是含二氧化锗的玻璃在这一领域表现突出。例如，这些玻璃材料的熔点低于硅酸盐玻璃，并且具有优异的稀土离子（REs）溶解能力[6] [7]。这种材料已被证明是高效的光信号放大器材料[8]，可用于改进硅光伏电池的性能[9]，以及生成白光和可调可见光的光源[10]等。此外，GeO2–PbO玻璃具有宽广的传输窗口（从可见光到中红外区域），折射率高（由其组成元素的较大原子质量和高极化率引起）。相对于硅酸盐玻璃，较低的声子能量降低了非辐射损耗，有利于上转换过程。尽管硅酸盐玻璃的传输窗口较窄（仅限于近红外区域）且折射率较低，但它们具有更好的机械和化学稳定性以及更高的热稳定性，结晶倾向较低，因此适用于长距离低损耗的光纤[1]。表1列出了GeO2–PbO与其他玻璃系统的光学特性对比。

**表1. 不同玻璃基质的光学特性**
| 玻璃系统 | 传输窗口（nm） | 声子能量（cm-1） | 折射率 | 传播损耗 |
|--------------|-------------|----------------|---------|-------------|
| 硅酸盐（SiO2） | ～160–4000 | ～1100 | ～1.458（589 nm） | ～0.07 dB/cm |
| 氟化物（ZBLAN型） | ～220–8000 | ～600 | ～1.499（589 nm） | ～0.21 dB/cm |
| 硫属化物（如As–S/Se/Te） | ～700–8000 | ～330–380 | ～2.1–3.0 | ～1.47 dB/cm |
| 硒化物（如As–S/Se/Te） | ～1000–12000 | ～2000–2000 | | |
| 重金属氧化物（如碲化物） | ～500–5000 | ～700–800 | 1.8–2.3 | ～0.15 dB/cm |
| GeO2–PbO（铅锗酸盐） | ～400–4500 | ～700 | ～1.9 | ～0.89 dB/cm |

**2. 材料与方法**
2.1. 玻璃的制备
本研究关注的玻璃为名义组成为40GeO2–60PbO（重量百分比，GP）的铅锗酸盐玻璃，使用纯度为99.999%的试剂制备。样品分别标记为GP:Er/Yb、GP:Nd、GPAg:Nd和GP2Ag，分别对应掺杂Er3+/Yb3+、Nd3+以及含有/不含Ag的玻璃（浓度见表2）。所有样品均采用熔融淬火技术制备，随后进行控制退火以缓解内部应力，并在适用情况下促进Ag纳米颗粒的形成。热处理后，样品经抛光处理获得光学质量表面（具体方法参考文献[20]、[45]、[53]）。

2.2. 波导的制造
两种最简单且应用最广泛的波导类型是通过飞秒激光刻写技术获得的：单线（Type I）和双线（Type II）。在单线波导中，材料的结构修改会导致折射率增加，从而增强光限制效果[54] [55]；而在双线波导中，轨道中心部分的膨胀会导致折射率降低，而相邻外围区域由于应变效应可能表现出较高的折射率[56]。光在两条或多条刻写线之间的原始区域中传播。双线波导的结构修改与激光引起的材料损伤有关，在较高损伤程度下，体积膨胀成为主导机制，导致焦点区域的折射率和材料密度降低[57] [58] [59]。这限制了引导区域仅在靠近焦点区域的原始但受压区域，位于修改后的轨道之间[60]。就单线波导而言，这种方法具有优势，因为它能更好地限制光线的传播，从而对波导性能产生积极影响，主要是因为波导核心不会位于受到严重损坏的区域。这种配置能够更好地保持材料的特性，同时提高稳定性和折射率对比度[61]。活性离子的发光特性得到了很好的保存[62]，[63]，使得双线波导成为集成波导激光应用的一个有前景的配置。由于修改后的轨道之间产生的应力诱导的折射率分布[64]，II型修改波导可以提供强光学限制，并能够创造出比单线配置更小半径的弯曲波导[61]。此外，应力诱导的双线结构具有很强的热稳定性，非常适合高功率激光应用[65]。在目前的工作中，使用适当的激光参数，聚焦的飞秒激光引起局部材料改性，以促进II型波导改性（双线），通过多条重叠的线条来创建永久性的折射率改变[5]，[56]，[66]。图1显示了用于波导写入的设置以及需要抛光的端面损伤。波导对之间的距离为400微米；每个波导由一对微加工区域组成，由于球面像差和自动对焦效应，形成了高178微米、宽3微米、间距为10微米的平行壁。这些特征由于对比度极小而难以观察，但可以使用偏振光显微镜看到。下载：下载高分辨率图像（597KB）下载：下载全尺寸图像图1. 波导写入设置和显微镜图像，显示了写入过程中玻璃样品输入和输出表面的激光损伤。用于生产波导的具体参数将在后续表格中详细说明和解释。这些轨道是使用工作在800纳米波长、重复率为10千赫兹的飞秒激光系统（Ti:sapphire，PRO 400型号，Femtolasers GmbH）创建的，该系统配备了一个焦距为20毫米、数值孔径（N.A）为0.23的聚焦透镜。最初，波导写入是在没有重叠线条的情况下以较低的激光速度进行的[45]。表3列出了用于掺有Yb3+/Er3+的GP基质（GP:Er/Yb）的激光辐照参数。表3. 在GP:Er/Yb样品中使用的飞秒激光的写入参数[45]。样品GP:Er/Yb写入速度（毫米/秒）0.06脉冲能量（微焦耳）32脉冲重叠次数90重复率（千赫兹）10脉冲持续时间（飞秒）30焦点位于表面下方0.7毫米然而，向GeO2-PbO玻璃中添加Nd2O3会导致加工过程中的裂纹，因为激光波长与Nd3+离子在800纳米处的吸收波长非常接近，这会导致显著的局部加热。为了解决这个问题，修改了写入参数（表4），提高了写入速度，降低了脉冲能量，并增加了线条的重叠次数（最初是4次和8次）。所有这些更改都旨在确保波导壁的结构完整性[20]并促进适当的折射率变化。此外，还在每次写入线条之间设置了较长的时间间隔，以冷却受影响区域并确保波导壁的结构完整性[20]。与之前建立的相同激光参数也用于制备含有Ag纳米颗粒（Ag NPs）的样品[46]。表4. 在GP:Nd和GPag:Nd样品中使用的飞秒激光的写入参数[20]，[46]。样品GP:Nd / GPAg:Nd写入速度（毫米/秒）0.5脉冲能量（微焦耳）30线条重叠次数4次和8次重复率（千赫兹）10脉冲持续时间（飞秒）30焦点位于表面下方0.7毫米两种S形弯曲结构，一种半径为40毫米，另一种为80毫米，以及Y形结构[47]也是使用表2中相同的参数制造的，但只有4次重叠。需要指出的是，在所有情况下，飞秒激光束都垂直于样品的抛光表面，并且相对于运动方向以45°的角度进行线偏振[20]，[45]，[46]，[47]。2.3. 特性分析折射率变化是根据测量的数值孔径（NA）[67]，[68]估算的。图2a显示了用于获取和测量632纳米处折射率变化的设置。根据标准程序[69]并使用图2b中的设置，测量了所有配置的波导输出光束的束品质因数（M2）。该设置使用水平平移的平凸透镜来测量近场和远场的光束直径。根据这些测量结果，使用方程1[70]计算了632纳米处的M2。然后使用方程2调整实验数据，其中光束直径（d=2w）在不同距离（z）处从光束腰部记录下来，这些数据通过方程1[70]进行调整，以确定632纳米处的M2。(1)在上述方程中，光束腰部的光束直径（d0）为d0=2w0。为了确定1064纳米处的M2，将方程2应用于图2b中设置获得的数据，考虑到波长（λ）显著小于光束半径（w）。(2)在这种情况下，表示远场光束发散的半角，表示光束焦点的腰半径。下载：下载高分辨率图像（688KB）下载：下载全尺寸图像图2. 用于确定(a)数值孔径，(b)束品质（使用平凸透镜），以及(c)在1064纳米处的传播损失，(d)相对增益测量的实验设置（激发波长为808纳米）。使用图2c中的设置，通过测量不同样本长度（d1和d2）处的功率（P1和P2），使用10倍和40倍物镜[20]，[46]，[71]，[71]来确定1064纳米处的传播损失（方程3）。(3)对于S形弯曲和Y形波导（无法切割的情况下），通过测量不同几何形状（半径为40毫米和80毫米的S形弯曲、Y形臂）相对于直波导的输出功率分布（图2c），使用方程4[72]来确定相对损失。(4)在上述方程中，η表示以分贝（dB）表示的相对损失的大小，表示被评估波导的总输出功率，而表示参考波导的输出功率。波导的增益特性如下进行表征：相对增益（信号增强）是使用两个连续波（cw）激光二极管在808纳米（泵浦）和1064纳米（信号）下测量的。测量了1064纳米处的放大自发发射（ASE）和受激发射（SE）的强度，并使用图2d中显示的实验设置计算相对增益。相对增益的测量方法如下。测量信号功率（）是在泵浦激光关闭的情况下进行的，并保持在一个非常低的水平（400纳瓦），以避免增益饱和。然后，当两个激光都打开时重复测量，记录1064纳米处的组合SE和ASE。最后，在泵浦激光关闭的情况下测量ASE功率（）。然后使用方程（5）确定相对增益，其中d表示样品长度[45]，[71]，[73]，[74]，[75]：(5)需要提到的是，这种光学增益设置仅适用于钕。对于GP:Er/Yb玻璃，使用了图3中所示的设置。在这种配置中，泵浦沿着波导的光学轴进行，与其他设置（图2c）不同，在那种设置中，稀土离子是通过样品的顶部表面激发的。下载：下载高分辨率图像（205KB）下载：下载全尺寸图像图3. 用于GP:Er/Yb波导相对增益测量的实验设置。使用光学显微镜（Leica DMLP偏振光显微镜，配备MC170 HD相机）分析了波导区域。使用200 kV透射电子显微镜（TEM）（Thermo Fisher/FEI Titan Cubed Themis）研究了Ag纳米颗粒（Ag NPs）的成核过程。通过扫描透射电子显微镜（STEM）分析了样品中的元素分布。TEM样品制备包括研磨、与蒸馏水混合以及部分倾析，然后将悬浮的孤立颗粒沉积在涂有碳膜的超细铜网格上。通过使用808纳米连续波二极管激光激发样品进行光致发光测量。收集到的光致发光信号垂直于激发光束方向，并通过单色仪进行光谱分离。使用锗（Ge）光电探测器进行信号检测，其输出与锁相放大器和计算机相连。3. 结果3.1. 使用GP:Er/Yb玻璃制造的波导在本节中，我们回顾了使用表1中所示参数在GP:Er/Yb中制造的雙線波導的结果[45]。如上所述（图2a），确定了632纳米处的折射率变化，结果为：Δn = -7.3 x 10-3。通过切割法在1300纳米处获得了（0.9 ± 0.3）分贝/厘米的传播损失。图4显示了1550纳米处的相对增益随泵浦功率的变化，输入信号功率为700纳瓦，使用方程（5）确定。当激发波长为980纳米、泵浦功率为105毫瓦时，1550纳米处的相对增益达到了7.5分贝/厘米。可以看出，增益没有饱和；当泵浦功率超过65毫瓦时，可以观察到更平缓的效率下降趋势。下载：下载高分辨率图像（47KB）下载：下载全尺寸图像图4. GP:Er/Yb波导在1550纳米处的相对增益，作为泵浦功率的函数，输入信号功率为700纳瓦。通过补偿传播损失和吸收损失，考虑到传播损失（0.9 ± 0.3分贝/厘米）和吸收损失（2.0 ± 0.1分贝/厘米），在105毫瓦的泵浦功率下，1550纳米处实现了最大正内部增益（Gint）为4.6分贝/厘米。3.2. 使用GP:Nd和GPag:Nd玻璃制造的波导本节旨在回顾在掺有Nd3+的GP基质中刻写的雙線波導的结果，包括含有和不含有Ag纳米颗粒的情况（GP:Nd和GPag:Nd玻璃）[20]，[46]。如前所述，由于添加了Nd2O3，因此必须更改写入参数，与之前用于GP:Er/Yb的写入速度不同，并且在波導制造过程中也包含了4次和8次的重叠线条；这种配置克服了热量积聚和断裂的问题，因为钕在800纳米处的吸收与飞秒激光的发射波长共振。提高写入速度有助于减少脉冲次数，从而减少了必要的损伤积累，进而确保了对于光引导至关重要的适当的折射率变化。因此，更高的速度加上几条重叠的线条产生了必要的损伤，并保证了上述所需的折射率变化。在飞秒激光辐照后，观察到550纳米以下的吸收增加，这归因于色心的形成和Ag+离子的光还原[76]，[77]。飞秒激光的相互作用诱导了非线性光学效应——光电离和冲击电离——产生自由电子。这些电子可以捕获形成色心或还原Ag+离子，促进纳米颗粒（NP）的成核[76]，[77]。NP的生长还受到激光焦点处局部加热的驱动，增强了原子流动性[76]。图5显示了含有和不含有Ag纳米颗粒的块状样品的光致发光（PL）光谱，特征发射波长为900、1064和1340纳米。这些发射分别对应于4F3/2→4I9/2、4F3/2→4I11/2、4F3/2→4I13/2的跃迁。与不含Ag纳米颗粒的样品相比，含有Ag纳米颗粒的样品的PL增强了约47%，如图5所示。这种增加归因于Ag纳米颗粒产生的增强局部电磁场，该磁场提高了附近Nd3+离子的激发效率[78]，[79]，[80]。金属纳米颗粒对光的吸收被描述为电子与电磁场的相互作用产生的相干振荡，从而导致表面等离子体波。在纳米粒子（NPs）的情况下，等离子体振荡是局域化的，被称为局域表面等离子体（LSP），其频率取决于宿主基质的介电函数、纳米粒子的性质以及纳米粒子的形状和大小[81]。因此，纳米粒子附近的局部电场增强[82]，[83]（由于纳米粒子与宿主基质介电函数的不匹配），提高了被激发Nd3+离子的浓度，从而增强了光致发光。下载：下载高分辨率图像（500KB）下载：下载全尺寸图像图5. GP:Nd（方形）和GPAg:Nd（开放圆形）的PL光谱。图6（a，b）展示了在808 nm泵浦功率下，双波导在1064 nm处的相对增益与8个重叠线的关系。这些结果使用方程（5）在输入信号功率为400 nW的情况下获得的。具体来说，图6a显示了无Ag样品中波导的相对增益，而图6b显示了含有Ag纳米粒子的波导的相对增益测量结果。这允许直接比较金属纳米粒子对波导增益的影响。下载：下载高分辨率图像（386KB）下载：下载全尺寸图像图6. 双波导在8个重叠线情况下的相对增益：a）GP:Nd样品和b）GPAg:Nd玻璃[46]。使用方程（2）在1064 nm处确定了光束质量参数Mx2和My2。一个显著的发现是，使用八个重叠线在632 nm和1064 nm处减少了水平方向和垂直方向之间的差异。这些数据与使用四个重叠线和八个重叠线在GP:Nd玻璃中制造的双波导的值形成了对比。表5中的比较分析显示，当存在AgNO3掺杂剂时，无论是四个重叠线还是八个重叠线的双波导的M2值都有所提高。这种改善最可能的解释是Ag纳米粒子的成核过程得到了促进，从而改善了折射率。这一点在硅酸盐玻璃中得到了观察，其折射率提高了4.6%[84]。在这种情况下，纳米粒子的存在导致了折射率的变化[85]，因为飞秒激光的辐照促进了纳米粒子的成核[86]。飞秒激光引起的色心表明，局部热积累对玻璃中Ag-NP的单步沉淀非常有益[84]。表5. GP:Nd和GPAg:Nd的结果[20]，[46]。空单元GP:NdGPAg:Nd参数4个重叠线8个重叠线4个重叠线8个重叠线Mx2（在632 nm处）16.716.65.125.22My2（在632 nm处）14.215.63.665.82Mx2（在1064 nm处）9.99.93.03.1My2（在1064 nm处）8.49.22.23.5GINT（dB/cm）3.61 dB/cm5.56 dB/cm5.11 dB/cm7.2 dB/cm3.3不同波导架构：GP2Ag玻璃中的S形弯曲和Y形结构在本节中，回顾了使用直线（图7a）、S形弯曲（图7b）和Y形结构（图7c）在GP2Ag玻璃中制备的四重线波导的最新研究成果[47]。直线波导由两条相距10 μm的平行线组成，有4个重叠线，用作确定相对传播损失的参考。如先前报道的[20]，[46]，S形弯曲波导也相距10 μm，弯曲半径分别为40 mm和80 mm。这个选择半径是基于之前的研究结果[48]，这些结果表明5 mm和10 mm半径的S形弯曲不发光。另一方面，20 mm半径的S形弯曲波导且导壁之间的距离为10 μm和25 μm时能够导光。然而，25 μm导壁间距的S形弯曲波导的相对传播损耗较高，为2.19 dB/cm，而10 μm导壁间距的波导损耗较低，为1.33 dB/cm[48]。下载：下载高分辨率图像（541KB）下载：下载全尺寸图像图7. 用飞秒激光照射的GP2Ag玻璃中的波导结构示意图：（a）直线，（b）40 mm和80 mm半径的S形弯曲，（c）Y形。还回顾了Y形波导的结果，这种结构具有5°的开口角和300 μm的臂间距，导壁之间的距离为10 μm（图7c）。这些参数是基于之前的研究结果确定的，其中开口角为5°且两臂间距为620 μm（导壁间距为10 μm）的Y形结构，其左右臂之间的输出功率比为53.9/46.1，传播损耗为0.55 dB/cm。值得强调的是之前关于光束质量指数（M2）的研究结果，该结果表明S形弯曲波导的M2值显著更高，表明光束畸变更为明显[48]。特别是25 μm导壁间距的S形弯曲波导，其Mx2 = 23.5和My2 = 28.8，表明由于更强的曲率导致光束质量严重下降。10 μm导壁间距的S形弯曲波导的M2值也低于25 mm版本。相比之下，直线波导的M2值低得多，表明光束质量更好，正如预期的那样。对于10 μm和25 μm的壁间距，分别达到了Mx2 = 5.23和My2 = 4.16和5.31的值。对于Y分支结构（臂间距为620 μm），第一臂的Mx2 = 5.03和My2 = 6.99，而第二臂的Mx2 = 5.84和My2 = 5.46。这些值表明其光束质量适中，但优于S形弯曲结构[48]。使用方程3计算的1064 nm处的M2值在表6中与632 nm处的所有波导架构的结果一起呈现。图2a所示的装置可以测量相对传播损耗，其结果也在表4中有详细说明。632 nm处的相对传播损耗是通过将S形弯曲和Y形结构的损耗与直线波导的损耗进行比较来确定的，如2.3节所述，后者由于其路径长度最小而表现出最低的损耗。图2c中的实验装置用于测量Y形结构左右臂之间的输出功率比，结果为50.47/49.53。与臂间距为620 μm的Y形结构相比，这种出色的分配比对光子学应用非常有帮助。表6. 直线、S形弯曲和Y形结构的M2、相对传播损耗和垂直偏振的结果。波导Mx2（632 nm）My2（632 nm）Mx2（1064 nm）My2（1064 nm）直线3.83.12.31.9S形弯曲 40 mm6.45.03.83.0S形弯曲 80 mm5.45.23.23.1Y第一臂6.14.13.72.5Y第二臂5.64.33.32.5图8a显示了样品的TEM图像，揭示了孤立的Ag纳米粒子及其晶面间距为0.236 nm，对应于面心立方Ag的（1,1,1）晶面[87]，[88]，[89]。Ag纳米粒子的尺寸分布在图8b中显示。下载：下载高分辨率图像（570KB）下载：下载全尺寸图像图8. （a）具有面心立方Ag的（1,1,1）晶面间距的孤立Ag纳米粒子的TEM图像。（b）Ag纳米粒子的尺寸分布。4. 讨论与未来展望特别是，这篇综述的重点是Nd3+掺杂和未掺杂的GeO2–PbO玻璃中的双线飞秒激光刻写的波导，特别关注通过重复写入重叠线制造的双线结构。前面章节中呈现的结果使得可以系统地比较不同的架构和玻璃组成，这些在表7中展示。在直线波导中，观察到光学性能明显依赖于写入参数和玻璃组成。四线重叠和八线重叠配置之间的比较表明，增加重叠线的数量通常可以提高模式限制，从而降低传播损耗并改善光束质量。这种效应在GP:Nd和GPAg:Nd波导中尤为明显，八线重叠配置显示出更低的损耗和更高的内部增益。同样的情况也适用于光束质量参数Mx2和My2。Ag纳米粒子的作用也值得强调。将Ag纳入玻璃基质中可以改善光束质量，因为在1064 nm处观察到较低的M2值。这些结果表明，Ag的存在促进了更加均匀的折射率分布和更有效的模式限制，从而减少了引导模式的空间畸变。光致发光的改善归因于Ag纳米粒子周围的局部电场的增强，这有利于激发态的粒子数量增加，从而提高相对增益。当比较当前结果（1064 nm处的相对增益高达7 dB/cm）与使用Au纳米粒子作为覆盖层且Nd3+浓度减半的结果[90]时，Nd3+浓度的作用变得明显。与GP:Er/Yb样品相比，不同的配置、重叠波导和更高的写入速度使得Nd3+离子的掺入不会导致样品破裂，因为它们减轻了这些离子的吸收波长与飞秒激光之间的加热效应。表7. 不同架构样品的主要实验结果总结：测量了传播损耗和内部增益（Gint）：GP:Er/Yb、GP:Nd和GPAg:Nd，以及具有4个重叠线的直线、S形弯曲和Y形结构。样品波导配置传播损耗（dB/cm）GINT（dB/cm）GP:Er/Yb无重叠0.94.6在1550 nmGP:Nd 4个重叠0.893.6在1064 nm8个重叠0.445.56在1064 nmGPAg:Nd 4个重叠1.895.11在1064 nm8个重叠1.307.12在1064 nmGP2Ag直线4个重叠参考-S形弯曲（r = 20 mm）1.33-S形弯曲（r = 40 mm）1.13-S形弯曲（r = 80 mm）0.84-Y 300 um臂间距0.27-Y 620 um臂间距0.55-特别需要强调的是，对于S形弯曲和Y形结构（GP2Ag样品），报告的损耗是相对于直线参考波导的相对损耗，因此直接量化了弯曲或分割带来的额外贡献，而不是绝对传播损耗。与S形弯曲相比，Y形结构的相对传播损耗较小（表7）。总体而言，直线波导一致地表现出最低的M2值，表明与S形弯曲和Y形结构相比具有更好的模式保持能力（表6）。相比之下，随着弯曲半径的减小或壁之间的距离增加，S形弯曲和Y形结构的M2和相对损耗都有所增加（表7），这证实了几何效应在这些结构中的主导作用。然而，臂间距为300 μm的Y形结构在功率分割方面保持了出色的功能表现，与臂间距为620 μm的结构相比。作为这项研究的自然延续，可以追求几个研究方向，以进一步扩展对飞秒激光写入光子结构的理解和性能。首先，未来的工作可以集中在使用不同的稀土离子以及Au纳米粒子代替Ag纳米粒子来研究光学增益。这些新的掺杂剂将能够详细评估发射效率、激发动力学和能量转移机制，有助于开发其他光学放大器。此外，目前在被动波导中探索的架构可以在掺杂基质中复制，以量化更复杂配置中的光学增益，从而补偿损耗。这种方法将使得能够评估复杂几何形状中的传播损耗、耦合行为和均匀性，为理论传播模型提供实验验证。另一方面，Y形结构可以用来分离或重组光路，同时最小化辐射损耗。在更高级的阶段，可以开发越来越复杂的光子架构，包括实现飞秒激光写入的马赫-曾德尔干涉仪，甚至将其集成到直线波导中。这不仅将评估完全集成光电路的可行性，还将支持现有架构的优化。关于S型弯曲配置，对于40纳米和80纳米半径的结果是合适的，例如，可以用来连接直波导，因为当它们垂直连接时会产生更高的传播损耗。然而，需要共同努力来改进用于飞秒激光辐照的参数，以产生更小的半径，以实现更紧凑的芯片应用。总的来说，这些未来的发展为更高效的光集成电路设备奠定了坚实的基础，提高了增益控制、降低了损耗并增强了整体功能，从而促进了掺稀土玻璃光子学的技术进步。最后需要补充的是，飞秒激光制备的微波导克服了基于硅的技术的一些问题[91]，后者更为复杂，并且需要基于光刻和蚀刻程序的多个步骤。尽管存在不同的方法来制造波导核心（如溅射、离子注入等），但在飞秒激光写入方法中，波导是通过一种众所周知且成本较低的工艺——熔化淬火技术在玻璃中刻写的。当然，方法的选择取决于进行实验的实验室设施以及所追求的应用前景。

**结论**

本文结合了先前分别报告的几个方面，并将它们一起呈现和讨论：GeO2–PbO材料系统、具有重叠部分的双波导的制造、不同配置（直线、S型弯曲和Y型）、相对增益、传播损耗和M2结果，以及银纳米粒子（Ag NPs）对光波导性能的影响。光波导是使用800纳米波长、重复频率为10 kHz的飞秒激光辐照在掺Nd3+和未掺Nd3+的GeO2–PbO玻璃中刻写的。双线结构是通过重复写入重叠的线条来制造的。玻璃样品是采用标准的熔化淬火方法生产的。最初，波导写入速度较低（0.06 mm/s），且在GP:Er/Yb样品中没有重叠线条。在980纳米泵浦功率下，获得了7.5 dB/cm的相对增益和最佳的放大性能。当考虑传播损耗时，得到了4.6 dB/cm的正内部增益。还研究了掺Nd3+的GeO2–PbO玻璃中的双线波导结构；在这种情况下，通过更高的写入速度（0.5 mm/s）产生了重复的共线叠加线条（每条写入线有八个和四个重叠部分）来创建波导。还讨论了银纳米粒子对光学性质的影响。在632纳米和1064纳米波长下，对于带有和不带银纳米粒子的样品，观察到了相似的光束质量因子（Mx2和My2）值，表明带有银纳米粒子的波导具有更好的x,y对称性。与没有银纳米粒子的波导相比，1064纳米波长的PL增强约为47%，这种增强归因于银纳米粒子附近的强局部电磁场，它增加了激发态Nd3+离子的数量。在808纳米泵浦功率下，使用四个和八个重叠线条写入的波导的信号波长（1064 nm）处的相对增益分别达到了7.0 dB/cm和8.5 dB/cm。与没有银纳米粒子的样品相比，这些值分别代表了大约40%和30%的增益提升，这得益于银纳米粒子的等离子体特性。四个和八个重叠线条的传播损耗分别为1.89 dB/cm和1.30 dB/cm，从而获得了5.11 dB/cm和7.2 dB/cm的正内部增益。

最后，使用相同的参数但限制为四个重叠部分，创建了包含银纳米粒子的被动波导设计（S型弯曲和Y型分支）。S型弯曲波导的结果表明，80毫米弯曲半径的导向性能优于40毫米半径，这从导向光路的x和y对称性的提高中可以得到证明。因此，在632纳米和1064纳米波长下，80毫米波导获得了最佳的光束质量因子（M2）值以及最低的传播损耗。632纳米时的M2值为5.4（Mx2）和5.2（M?2），1064纳米时的M2值为3.2（Mx2）和3.1（M?2），传播损耗分别为0.84 dB/cm。这与文献中的报告一致，即曲率半径较小的波导通常具有较低的损耗。

使用相同的双线波导配置（由四个重叠线条形成的双波导），制造了一个开口角度为5°、两臂之间间距为300 μm的Y型分支。实现了50.5/49.5的出色功率比，并且具有最低的相对传播损耗0.27 dB/cm，优于S型弯曲波导。632纳米时M2值的近似性——第一臂的Mx2 = 6.1和M?2 = 4.1，第二臂的Mx2 = 5.6和M?2 = 4.3——表明它们之间的光引导差异可以忽略不计。在1064纳米时也观察到了这种一致的行为。

本文展示了通过使用飞秒激光在GeO2-PbO玻璃中重复写入重叠线条来制造双线波导结构的可行性。鉴于文献中缺乏类似的研究，我们认为所提出的平台对该领域做出了重要贡献，并可以扩展到多种掺杂和未掺杂的基质材料。

**作者贡献声明**

Luciana Reyes Pires Kassab：撰写 - 审稿与编辑、监督、资源管理、项目行政、方法论、资金获取、概念化。
Thiago Vecchi Fernandes：撰写 - 原始草稿、验证、方法论、数据分析、数据管理、概念化。
Wagner de Rossi：撰写 - 审稿与编辑、资源管理、项目行政、方法论、资金获取、概念化。
Niklaus Ursus Wetter：撰写 - 审稿与编辑、监督、资源管理、项目行政、方法论、概念化。

**资金支持**

我们感谢CNPq（国家光子学研究所，资助编号：409174/2024-6、305745/2023-9、3085262021-0、440228/2021-2、305237/2024-1、406761/2022-1和409174/2024-6）的支持。同时，我们也感谢纳米技术国家实验室（LNNano，CNPEM-Campinas/巴西）在HR-TEM测量方面的支持。这项工作还得到了高等教育人员改进协调办公室（CAPES-PROEX 88887.000421/2024-00）的资助。