Editors' Pick | 具有任意三维形状的集成光学器件的制备

Photonics Research 2020年第2期Editors' Pick：

Jérôme Michon, Sarah Geiger, Lan Li, Claudia Goncalves, Hongtao Lin, Kathleen Richardson, Xinqiao Jia, Juejun Hu. 3D integrated photonics platform with deterministic geometry control[J]. Photonics Research, 2020, 8(2): 02000194

由于传统集成光学器件大多在刚性衬底（例如硅和玻璃）上制备，其形态都被局限于二维平面内。把集成光学器件的几何结构拓展到我们所生活的三维空间，将可以实现许多传统平面器件难以企及的新应用，诸如在三维空间的传感、成像、光学制造，以及光信号传输等。

实现此类三维光学器件的首要挑战是在三维空间中高效率地制备精细的三维结构。已有的技术手段中，堆垛式光学构型只能用于制备平面多层结构；而利用材料的光敏特性实现三维激光直写只对特定的光敏聚合物和玻璃适用。例如在块状、不透明的生物样品中实现应力和形变的三维测量，这种测量要求微型传感器阵列能被准确地放置在三维空间中的预定位置，而这是上述方法所难以实现的。

来自麻省理工学院的胡崛隽教授和特拉华大学的贾新桥教授带领的研究团队首次实现了具有任意三维形状的集成光学器件的制备。该团队首先使用标准的半导体微加工工艺，在硅衬底上制备微型光学器件；随后将这些器件从衬底上剥离，然后通过外加应力将二维平面器件变形为特定的三维几何形状。相关研究成果发表在Photonics Research 2020年第2期上，并被主编选为Editors’ Pick。

用该方法制备三维器件的结构如图1(a)所示。诸如光波导和光学微腔等集成光学器件阵列，被包裹在高分子树脂材料制成的微型梁中。通过在梁两端施加压应力使其屈曲变形，可以实现器件在三维空间的排布。通过分析所构建的基于变形梁的力学模型，可以发现梁的三维几何构型以及对应器件的位置，都可以通过改变梁的几何尺寸实现精确控制。最后，作者把一个光纤阵列键合到器件上，以达成稳定的多通道光信号耦合。经过光纤封装的器件可以实现“即插即用”，即可直接与标准光纤接口对接并使用，而无需复杂的光学对准。

图1 (a)三维器件结构示意图；(b)三维器件实物图。

作为三维器件应用的实例，作者展示了使用该器件进行应变传感。施加在这些器件上的外加变形会通过光力耦合效应，造成光学微腔的谐振峰频移，通过测量频移即可获得对应器件处的局部应变。为了消除温度变化造成的峰频移，器件中还包含了用于校准温度的微腔来提供实时参考。利用这种方法，本文实现了精度优于0.01%的应变传感。

这种三维器件制备方法具有以下优势：首先它是完全基于标准微加工工艺的，从而可以获得高效率、高质量的光学元件，而且该制备流程也可以灵活适用于多种材料体系；二是通过利用确定性的机械形变，可以实现光学元件在大范围（厘米级）三维空间的任意排布；三是因为所有的元件都通过标准光刻工艺并行加工，这种架构可以轻易地扩展到包含大量元件的光学阵列；最后，光纤封装极大地提高了三维器件阵列的可靠性和鲁棒性，使其更可能实现便携应用。集成光学器件已经被证明可用于检测，甚至操控环境中多样化的物理和化学参数。因此可以预见，这种三维集成光学平台可能在需要三维传感或光信号传输的场合中实现广泛应用。

主持这项研究的胡崛隽教授认为：“我们的世界不是平的，所以光子学器件也可以不是平的。突破传统光学器件的二维形态，可以大大拓展光学器件在三维信息获取和传递方面的应用，比如说三维空间的传感，以及用于光信号传输或接收的三维光通路或探测器网络。”

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文章来源：中国激光