利用飞秒激光直写技术制备的超紧凑低损耗三维玻璃波导芯片（Ultra-Compact Low-Loss 3D Glass Waveguide Chip Using Femtosecond Laser Direct Writing (FLDW) Technique）

《Advanced Photonics Research》：Ultra-Compact Low-Loss 3D Glass Waveguide Chip Using Femtosecond Laser Writing Technique

　　

摘要：多芯光纤（Multicore Fiber, MCF）与高速光收发模块（Optical Transceiver）的互联是大规模人工智能（Artificial Intelligence, AI）数据中心极具前景的解决方案，扇入/扇出（Fan-In/Fan-Out, FI/FO）器件是该互联中的关键组件。然而，光收发模块内严苛的空间与损耗预算使得可集成FI/FO器件的实现面临重大挑战。本研究利用飞秒激光直写（Femtosecond Laser Direct Writing, FLDW）技术演示了一种面向四芯光纤的超紧凑低损耗FI/FO器件。该器件面积仅为2.5 × 2.0 mm2，在1310 nm波长下插入损耗为0.54 dB，可作为MCF与高速光收发模块间的关键接口。研究人员通过多遍扫描（Multi-scan）与套写（Overwriting）方法，获得了传播损耗低至0.13 dB/cm、耦合损耗为0.06 dB/端面的低损耗波导。为抑制弯曲损耗，研究人员提出一种沟槽辅助与偏移辅助余弦形波导（Trench-assisted and Offset-assisted Cosine-shaped waveguide, TOA-cos）。该架构中，辅助沟槽有效抑制辐射损耗（Radiation Loss），而偏移辅助余弦曲线最小化模场失配损耗（Mode-Mismatch Loss）。此外，TOA-cos模型与现有FLDW弯曲损耗抑制方法（如集成微裂纹和复合波导）兼容，是芯片级三维光互联的实用解决方案。

论文解读：利用飞秒激光直写制备超紧凑低损耗三维玻璃波导芯片及多芯光纤扇入/扇出器件研究

研究背景与意义

随着数据中心、云计算及人工智能（AI）的快速发展，下一代1.6T光收发模块对传输容量需求激增。传统扩容方式（增加光纤数量或粗波分复用CWDM）分别面临系统复杂度升高可靠性降低、及色散限制传输距离的问题。多芯光纤（Multicore Fiber, MCF）凭借空分复用能力成为替代方案，但其需通过扇入/扇出（Fan-In/Fan-Out, FI/FO）器件与光子集成电路（Photonic Integrated Circuit, PIC）互联。光收发模块内部空间极为有限（长度仅数毫米），要求FI/FO器件具备超紧凑尺寸与低损耗，这构成主要技术瓶颈。飞秒激光直写（Femtosecond Laser Direct Writing, FLDW）因可在体块玻璃内真三维（3D）加工波导而成为制备三维光子集成电路（3D-PIC）的关键技术。现有弯曲损耗抑制方法多关注提高折射率对比度以降低辐射损耗（Radiation Loss, L_r），对由曲率突变引起的模场失配损耗（Mode-Mismatch Loss, L_mismatch）缺乏系统优化。因此，Yu Fengrui, Ma Lin等研究人员在《Advanced Photonics Research》发表该研究，旨在开发适用于MCF的低损耗超紧凑FI/FO器件，并提出同时抑制L_r与L_mismatch的新型波导构型。

主要关键技术方法

研究人员采用波长1030 nm、脉宽370 fs、重复频率300 kHz的线偏振飞秒激光，通过NA=0.40的20×显微物镜聚焦于硼铝硅酸盐玻璃（Boro-aluminosilicate Glass）基底下方约100 μm处进行直写，三维平移台定位精度0.1 μm。通过参数扫描优化激光功率（210 mW）与扫描速度（200 μm/s），采用多遍扫描（n=7条平行轨迹）与套写（m=4次重叠写入，位移s=1.0 μm，记为4×7×1 μm）工艺制作直线波导。为抑制弯曲损耗，提出沟槽辅助与偏移辅助余弦形（Trench-assisted and Offset-assisted Cosine-shaped, TOA-cos）波导设计：于波导芯层两侧直写产生负折射率改变的辅助沟槽（1×7×1 μm）以增强折射率对比度压制辐射损耗，并在直-弯过渡区引入横向偏移（Lateral Offset）补偿模场外移以减小失配损耗；弯曲路径采用余弦曲线（Cosine Curve）以保证曲率连续。采用切割回溯法（Cut-back Method）测传播与耦合损耗，光束传播法（Beam Propagation Method, BPM）仿真优化结构，测试在1310 nm波长下进行（部分对比1550 nm），使用标准单模光纤（SMF, G.657.A1）耦合并加匹配液减反射，背靠背（Back-to-Back, B2B）校准。

研究结果

2 Experimental Methods（实验方法）

研究人员搭建FLDW系统于硼铝硅酸盐玻璃（50×10×1.1 mm³）内直写波导，总长约10 mm（含直弯段）。表征采用1310 nm分布反馈（Distributed Feedback, DFB）激光器为源，经偏振控制器入纤，输出端光功率计接收，端面上置折射率匹配油消除菲涅尔反射，以B2B连接定标。确认了该FLDW平台可稳定加工埋入式三维波导。

3 Principle of Reducing Bending Loss（弯曲损耗抑制原理）

弯曲波导总插入损耗（Insertion Loss, IL）含传播损耗L_p、耦合损耗L_c及弯曲损耗L_b（散射损耗L_s+辐射损耗L_r+模场失配损耗L_mismatch）。圆弧弯在直-弯及弯-弯节点处曲率不连续致L_mismatch剧增；余弦形S弯曲率连续（虽端点非零）较凸起正弦（Raised-Sine）变化率更低；辅以横向偏移补偿模场外移（弯曲时模场偏向外凸侧）可提升模场重叠积分。辅助沟槽（负Δn区夹正Δn波导芯）增大有效折射率差从而约束模场、抑制L_r。基于上述三点提出TOA-cos模型。

4 Fabrication and Experimental Results（制备与实验结果）

4.1 Parameters of FLDW（FLDW参数优化）

通过扫描确定最佳参数：重复频率300 kHz，扫描速度200 μm/s，激光功率210 mW（单脉冲能量≈0.7 μJ），采用4×7×1 μm多遍套写方案。拉曼光谱显示亮区490 cm^?1峰强随套写次数m增加而增强并饱和，对应玻璃四元环致密化导致折射率升高，证实套写可提升Δn。实测4×7×1 μm直线波导传播损耗0.13 dB/cm，耦合损耗0.06 dB/端面，插入损耗0.25 dB（10 mm），偏振相关损耗（Polarization-Dependent Loss, PDL）<0.1 dB。沿深度方向截面尺寸均匀，证实三维加工一致性。

4.2 Simulated and Experimental Results of TOA-Cos Model（TOA-cos模型仿真与实验结果）

BPM仿真表明标准波导与沟槽辅助（Trench-Assisted, TA）波导模场重叠积分达99.9%，沟槽引入几乎无额外失配。TA沟槽深度h=10.0 μm时插入损耗最小，有效弯曲半径R_eff<3.8 mm时沟槽显著降损；引入最优横向偏移进一步降损且对±0.2 μm制作偏差不敏感。仿真给出TA波导1.0 dB/cm辐射损耗截止弯曲半径R_eff为2.5 mm（1310 nm）与4.0 mm（1550 nm）。实验中，固定Δx=190.5 μm、Δy=1400 μm（R_eff=2.62 mm）的TOA-cos S弯TE模插入损耗仅0.50 dB，优于余弦S弯（1.0 dB）与圆弧S弯（3.0 dB）；计算得其模式失配损耗为0.13 dB，与仿真吻合。TM模在更紧弯曲下损耗更大，PDL随R_eff减小而增大，归因于TM模限制因子弱更易辐射泄露。

基于TOA-cos设计制作四通道FI/FO器件连接芯距40 μm的四芯光纤与间距127 μm波导阵列，单片尺寸2.5×2.0 mm²，最小R_eff=3.34 mm，各通道1310 nm插损≤0.54 dB，通带覆盖通信波段。另演示大跨度（Δx=8.0 mm, Δy=4.0 mm）TOA-cos弯波导TE插损0.60 dB（PDL=0.15 dB），验证高密度多通道直写能力。

5 Discussion and Conclusion（讨论与结论）

系统仿真对比表明TOA-cos在相同Δx、Δy下较圆弧弯插损显著降低。该设计专注解决以往被忽视的模场失配损耗并协同增强折射率对比度，且与已有FLDW弯曲损耗抑制手段（如应力工程、复合波导）兼容，可进一步提升性能。纵向尺寸有望通过高NA物镜优化沟槽形貌进一步压缩。研究人员总结：通过优化FLDW参数（300 kHz, 0.7 μJ/pluse, 200 μm/s, 4×7×1 μm套写）获0.13 dB/cm传播及0.06 dB/端面耦合损耗波导；提出TOA-cos构型（辅助负Δn沟槽+余弦曲线+横向偏移）将紧凑S弯（1400×190.5 μm²）TE插损降至0.50 dB（较圆弧弯降83%），实现迄今报道FLDW玻璃基最紧凑（2.5×2.0 mm²）最低插损（≤0.54 dB）四芯MCF FI/FO器件，为芯片级高密度三维光互联提供可行方案。