尖端上的光子芯片：在光纤上制造的复合光子器件

——||| 背景介绍 |||——

光子集成电路通常需要向外部设备（如光源或探测器）进行光输入或输出耦合。光子芯片开发的挑战之一是微纳米光学与体光学元件的集成，光纤是外部设备与外部设备的光传输的天然候选者。但是，单模光纤的典型尺寸（几十微米）与光子元件的尺寸不匹配，使得光纤相对于光学微元件对准不容易。这需要设计一种方法来解决尺寸不匹配，光纤对准、光耦合和封装的问题。

——||| 方法与结论 |||——

该论文向我们展示了一种根本上不同的方法--尖端上的光子芯片（Photonic-Chip-on-Tip, PCT）：不是将光纤连接到光子微器件，而是将光子微器件直接在光纤尖端上制造，从而避免了尺寸不匹配，对准以及装配等问题。利用3D激光直写（Direct Laser Writing, DLW）技术，在单模光纤芯上制备了一个简单的设备，包括耦合的两个棱镜，锥形波导和回音壁微谐振器。这个器件实现了温度传感，是应用的一个例子。这种光子电路设计方法本质上解决了尺寸不匹配，光纤对准，光耦合和封装的问题。

——||| 图文一览 |||——

图一：光子芯片的设计图（a, b）和制造实物图（c, d）

（a, b）是计算机辅助设计（CAD）的可视化图。

（c, d）是激光直写在单模光纤上的结果，计算机添加颜色的SEM图。

小结：利用3D激光直写技术在单模光纤上（蓝色）制造入耦合和出耦合棱镜（橙色），锥形波导（红色）和WGM微谐振器（紫色）。光纤直径为125um，环形谐振腔直径为40um。

图二：耦合棱镜和波导设计图

（a）耦合棱镜与波导设计图。波导（红色）具有3x3um^2的正方形横截面，30um长的耦合内锥形和2x1um^2的微环谐振腔耦合锥形。

（b）计算的耦合效率和内耦合锥度长度L的函数图。在约30um处，耦合饱和，选择其作为PCT的长度。

（c, d）波导中最低模式分布：主要部分（c）和耦合锥度（d）.

（e）计算光脉冲的模数（从左上方向下）：在耦合光纤中传播，经棱镜反射后，在锥形中传播并进入波导。

小结：设计出了在光纤端面上的光子芯片，并利用激光直写技术将其成功的在光纤端面制造了出来。

图三：输入和输出光纤的透射光谱以及温度传感曲线

（a）输入和输出光纤的透射光谱。

（b）测量共振位置随温度变化图。

小结：透射光谱是用可调谐的CW半导体激光器在1510和1620nm之间扫描，线宽低于10pm和红外功率计测量的。WGM谐振峰值明显，具有非常低的噪声，每2.16Thz间隔一次，与设计结果一致。WGM谐振波长随温度变化，可在室温和60℃作为温度传感器工作。

图四：作为复合光子/微流体Lab-on-tip装置的通用平台而开发的多芯光纤的切割端的SEM图

（a）在250um直径的光纤内有6个单模光学核（绿色），6个多模光学核（蓝色）和6个中空通道（紫色）。比例尺为50um。

（b）为（a）中光纤设计的Lab-on-Tip，具有两个流体输入通道，混合器和用于化学传感的谐振腔。

小结：尖端光子学可以通过定制光纤实现进一步开发，该光纤具有多个光学核心以及由于输送液体或气体的中空通道。

——||| 点评 |||——

该论文提出了一种可能成为光子和微光学集成的新方法：直接在光纤上制造复合电路或光路。其设计具有一个输入光纤和输出光纤，但这个概念可以进行扩展。利用激光/化学刻蚀或聚焦粒子束（FIB）进行微机械讲加工光纤本身，在结合DLW，可以在光子芯片上开辟更加大的自由度——制造。

K. Markiewicz and P. Wasylczyk,”Photonic-chip-on-tip: compound photonic devices fabricated on optical fibers” Optics Express 8440-8445 (2019).

https://doi.org/10.1364/OE.27.008440

翻译作者：秦燕亮

2019.03.19