德国耶拿大学的研究人员通过结合飞秒激光写入和液晶电光调制，开发了一种新型的光信号控制方法。该技术通过将液晶层嵌入到波导中，实现了对传输光束偏振态的电光控制。这项技术为基于芯片的设备和利用飞秒激光书写技术制作的复杂光子电路提供了全新的可能性。相关研究成果以“Electro-optical control of polarization in femtosecond-laser written waveguides using an embedded liquid crystal cell”为题发表在Optical Materials Express期刊2024年第14卷第4期。

德国耶拿大学的Alessandro Alberucci表示：“我们之前从未将波导的激光书写技术与液晶的电光调制技术如此结合过。希望这项技术能够促成一种创新的集成光子设备的诞生，这种设备将能够为数据中心及其他数据密集型应用处理海量信息。”

在Optical Materials Express期刊上，研究团队详细介绍了他们如何在熔融硅波导中制作出可调谐的波片。当给液晶施加电压时，液晶分子会进行旋转，进而改变波导中传输光的偏振状态。在进行的实验中，研究人员成功地完全调制了两种不同可见光波长的光偏振（图1）。

图1研究人员将液晶层嵌入到通过直接激光写入创建的波导中由此产生的混合器件可用于改变通过波导的光的偏振

Alessandro Alberucci表示：“我们的研究为在单片玻璃芯片的整个体积中集成新型光学功能铺平了道路，这使得构建紧凑型的3D光子集成设备成为可能，而这在过去是难以实现的。”他还指出：“飞秒激光书写波导的独特3D特性，能够用于开发新型的空间光调制器，其中每个像素可通过单独的波导进行寻址。这项技术还可用于构建高密度光神经网络的实验平台。”

结合两项关键技术实现3D光子集成器件的创新进展

飞秒激光能够在材料深层内部精确写入波导，而非仅仅局限于表面，这一特性使其成为一种极具潜力的技术，能够最大限度地增加单个芯片上的波导数量。该技术通过在透明材料内聚焦一束高强度激光来实现。当光强达到一定水平时，光束会在其作用点改变材料的性质，就如同一支具有微米级精度的笔。

图2 研究人员Alessandro Alberucci和Kim Lammers在实验室工作。该进展将新型光学功能集成到单个玻璃芯片的整个体积中铺平了道路，从而实现了紧凑的全 3D 光子集成器件

Alessandro Alberucci指出：“飞秒激光书写技术在制造波导方面的一个主要挑战在于，调节这些波导中的光信号相对困难。鉴于一个完善的通信网络必须具备控制传输信号的能力，我们的研究旨在寻找克服这一难题的新方法。”

在这篇新论文中，研究团队将两项基础光子技术相结合，实现了在波导中嵌入一层液晶。当光束在波导内传播并穿过这层液晶时，一旦施加电场，光束的相位和偏振便会发生变化。随后，这束经过调制的光束会继续通过波导的第二部分传播，从而实现了具有调制特性的光信号的传递。

Alessandro Alberucci表示：“这种结合了两种技术的混合技术能够在同一设备中同时发挥两者的优势：一方面是由波导效应带来的高密度光集中，另一方面是液晶所具有的高度可调节性。这项研究为利用液晶的特性，在设备整体体积中嵌入波导，作为光子器件的调制器开辟了新的途径。”

液晶在飞秒激光波导调制中的应用及其优势

尽管之前飞秒激光书写波导中的光学调制主要是通过对波导进行局部加热来实现的，但在这项研究中，通过使用液晶能够直接控制偏振。Alessandro Alberucci提到：“我们的方法具有几个潜在优势：功耗更低，能够独立处理单个波导，以及降低了相邻波导间的干扰。”

为了验证这一装置的有效性，研究团队向波导中注入了激光，并通过改变施加于液晶层的电压来调制光线。在输出端观察到的偏振变化与理论预期相吻合。研究人员还发现，在液晶与波导集成之后，液晶的调制特性保持不变。

研究人员强调，这项研究仅仅是对概念的验证，因此在该技术能够实际应用之前，还有许多工作需要完成。比如，目前的装置对所有波导的调制方式相同，因此研究团队正致力于实现对每个单独波导的独立控制。