后摩尔时代的大数据、5G、人工智能、物联网等新兴信息产业对信息的传输与处理速度提出了更高的要求。光子凭借其并行性、低功耗、高速度等优势在高速信息处理、超高容量信息互联、传感与存储等方面发挥着重要作用。不同于电子芯片利用电荷数量对信息进行二进制编码，利用光子的强度、频率、偏振、路径、模式等多个自由度的矢量特性进行编码可以极大地提升信息传输速率与处理速度。光子集成芯片具有体积小、稳健性强、可扩展等优势，是光子信息技术更广泛应用的必经之路。目前光子芯片多采用平面架构，仍未能充分利用光子的三维空间矢量特性。开发具有三维架构的多自由度立体集成光子芯片制造技术是领域的研究热点。
飞秒激光直写技术具有真三维、高精度、无掩模等优点，是公认的具有三维加工能力的立体集成光子芯片制造技术。基于飞秒激光直写的光子芯片已在量子光学、天文光子学、拓扑光子学和非厄米光子学等领域中得到充分展示。但受到激光散焦和材料非线性吸收等因素的影响，立体集成光子芯片在纵深范围拓展、稳定性提升、累积误差消除等方面仍面临挑战。
飞秒激光直写立体集成光子芯片
吉林大学集成光电子学国家重点实验室陈岐岱教授团队多年从事飞秒激光直写技术与应用研究，在国家重大项目、重点研发计划、吉林省重大科技专项等项目支持下开展了飞秒激光直写立体集成光子芯片技术攻关，取得一系列进展。团队自主研制大纵深立体集成光子芯片飞秒激光直写系统及芯片测试系统，在波导截面圆形度提升、损耗及偏振控制、量子逻辑门制备、片上非厄米系统制备等方面开展研究，具体进展如下：
针对波导截面不圆、波导应力分布不对称导致的波导阵列三维耦合设计受限问题，团队提出多焦点光场构建球形热场和脉冲激光相位-振幅双整形方案制备类光纤圆形截面玻璃波导。波导圆形度高达96.7%，双折射低至1.49E-6量级，等距离三维空间耦合强度一致（Opt. Lett. 46, 520, 2021）。
多焦点光场构建球形热场光路及类光纤圆形截面波导端面照片
通过对飞秒激光重复频率、扫描速度和脉冲能量等参数的优化，在硼硅酸盐玻璃中实现了低传输损耗（0.2 dB/cm）波导的制备。为满足非厄米系统中对波导损耗大范围任意可控的需求，通过在波导中植入损耗量可控和间距可控的过度曝光散射点，实现了传输损耗在0.2 dB/cm到400 dB/cm任意可控波导的制备。此外，利用损耗任意可控的波导制备了一种可动态环绕多奇异点的非厄米器件，首次验证了动态环绕多个奇异点系统中的手性传输现象(Phys. Rev. Lett. 127, 253901, 2021)。
波导损耗控制散射点照片及非厄米波导阵列端面能量分布图
为充分利用光子的偏振自由度，制备了全片上四分之一波片、二分之一波片，实现了双折射波导光轴方向任意可控。基于全片上光轴方向及双折射大小可控波导，制备偏振无关定向耦合器、偏振敏感定向耦合器、偏振无关HOM量子逻辑门。偏振无光量子逻辑门在任意线偏振态下干涉可见度均高于96%，标准差小于0.6%。全片上光子特性的任意控制为充分利用光子的偏振自由度、实现多自由度混合编码提供技术支持(J. Lightw. Technol. 39, 1451, 2021)。
偏振无关定向耦合器的经典测试及HOM量子逻辑门多偏振态下量子测试
针对光子芯片制造中存在的误差累积问题，团队提出了一种利用飞秒激光二次直写重构耦合区波导横向尺寸，进而重置波导间耦合系数的技术，实现了波导间耦合系数从0.47 rad/mm到2.1 rad/mm的任意控制（Opt. Lett. 46, 20, 2021）。利用该技术实现了对定向耦合器的修复，实现了定向耦合器分束比的任意重置。该技术为高保真度高性能光子芯片和可重构光子芯片的实现提供了一种解决方案。基于对波导耦合强度的精确控制，实现了基于非阿贝尔编织的片上光子器件和光量子逻辑门的制备。该芯片内光子状态受拓扑保护，具有极高的保真度，为高性能光子芯片的实现提供了解决方案（Nat. Photonics, 16, 390, 2022）。
波导耦合系数重置技术及非阿贝尔编织片上光子器件
团队长期与中国科学技术大学、北京大学、香港科技大学、意大利米兰理工、澳大利亚斯威本科技大学开展合作研究，多次主办/承办国际国内学术研讨会，团队学生多次赴国外/境外开展学术交流研讨与实验合作研究。团队主持的国家重大项目“飞秒激光直写光量子集成芯片基础研究”结题评级为特优，基于在超快激光特种光电器件微纳制造研究，团队荣获2020年国家自然科学二等奖。
团队提供良好的办公环境及先进的实验条件，面向全国长期招收具有光学、物理、机械、电子等背景的硕士/博士研究生。团队已毕业学生多人在国内高校任教（3人获优青和青千项目资助）、多人在国内科技企业及研究所任职，近年来从事超快激光加工技术研究的多位博士毕业生被华为、大族和光迅等高科技公司高薪聘用。欢迎广大同学加盟，欢迎开展实验合作研究，欢迎吉林大学电子科技活动参与者的咨询和关注。
