在一项将飞秒激光(femtosecond laser)写入精度与液晶技术巧妙结合的开创性研究中，研究人员引入了一种控制和操纵光信号的新方法，这种方法可以显著推进复杂光子电路的发展。这项开创性研究由德国弗里德里希·席勒大学耶拿分校完成，并在《光学材料快报》杂志上进行了详细说明，在熔融二氧化硅波导中引入了可调谐波盘（tunable waveplate），展示了两种不同可见波长的光学偏振的完全调制。这种创新方法为创建可重构设备和复杂的光子电路开辟了新的途径，标志着集成光子学的重大飞跃。

将飞秒激光书写与液晶技术相结合

飞秒激光直接写入（ Femtosecond laser direct writing, FLDW）是一种允许以完全三维方式在玻璃芯片内制造波导的技术。这种方法使光线能够沿着芯片内的特定路径进行引导，从而有助于将各种光学元件集成到单个紧凑型器件中。尽管它有许多优势，但FLDW受到一个关键限制的阻碍：一旦写定了结构，如果不完全重写光学电路，就无法对其进行修改。这种不灵活性一直是该技术更广泛应用的重大障碍，特别是在需要重新配置的领域。

研究团队的突破在于他们对这个问题的创新解决方案。通过在波导中嵌入一层液晶，使得对光的极化达到了前所未有的控制水平，通过外部施加的电场进行控制。这种方法利用了液晶的双折射特性——这些材料可以改变光的偏振方向。研究人员在波导中新颖地使用液晶，可以动态调整光的特性，克服了之前FLDW技术的重构性限制。

技术创新和实验成功

这项研究的技术执行涉及使用振幅萨摩激光（Amplitude Satsuma laser）将波导刻在熔融的二氧化硅玻璃中，随后在这些导轨中嵌入液晶层。当电压施加到液晶上时，其分子会旋转，在通过波导传输时改变光的偏振方向。这种电光调制是一项重大成就，展示了在基于芯片结构中精确控制光信号的潜力。

通过实验展示了这种方法的成功，这些实验展示了在两个不同的可见波长下完全调制光学偏振。研究人员发现，将液晶与波导相结合不会改变液晶的调制特性，从而保留了它们响应应用电场改变光偏振的独特能力。

优势和应用

与现有技术相比，这项研究的混合方法提供了一些优势。其一，它允许更低的功耗，因为对偏振的直接控制比加热波导调制所需的能量更少。此外，这种方法允许对大量波导中的单个波导进行独立寻址控制，从而减少相邻波导之间的串扰。这些好处使该技术对数据中心和其他需要处理大量信息的应用程序特别有吸引力。

这项研究的影响是巨大的，有望彻底改变集成光子设备的设计和利用方式。飞秒写波导的独特3D性质，加上液晶的可调性，可以使得紧凑型3D光子集成设备的开发。由于现有技术的局限性，这种设备以前是不可能的。潜在的应用包括密集的光学神经网络和空间光调制器，每个像素都可以通过波导单独寻址，为光学信号处理提供前所未有的控制和灵活性。

集成光子学的未来

虽然研究人员强调他们的研究只是概念的证明，但这项技术的潜在应用是广泛而多样的。从增强数据中心的数据处理能力到实现密集光学神经网络的实验实现，飞秒激光写入与液晶技术的集成为集成光子学领域打开了新的大门。研究团队已经在努力实现对每个波导的独立控制，这一步骤将进一步提高该技术的适用性和多功能性。