CN102116898A - 一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法。本发明应用离子交换技术，在玻璃基底形成半球型聚焦微透镜阵列，进而利用飞秒激光诱导玻璃基底的内部发生折射率变化，形成微米宽度的光波导功分器，从而实现将微透镜和光波导功分器两种基本微光学元件集成在一块玻璃基底上，实现微透镜与光波导的对准和耦合，生成具有最佳性能的微光学集成器件，填补了本领域技术空白。

Description

一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法

技术领域

本发明属于微光学元件技术领域，更具体的，涉及一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法。

背景技术

微光学元件是微光电机系统(MOEMS)的关键元器件，其中微透镜阵列、光栅、光波导等又是微光学元件当中最基本的器件。微光学元件具有体积小、重量轻、设计灵活、可阵列化和易复制等优点，能够起到提高光学系统的传输效率、减轻系统重量、改变输入光的能量分布和相位变化、实现光束变换和光学互联等方面的作用，广泛用于集成光学、光通信、激光光学、全息技术等各个领域中。

目前，在微光学元件的制造方面，采用飞秒激光在透明材料中进行二维或三维光波导刻写的技术已经日趋成熟。早在1996年，Davis等报道了飞秒激光在聚焦点可诱导介质折射率的增加，并进行了相关实验。1999年，Homoelle使用红外飞秒激光在硅玻璃上制作了波导结构，并由此制作出了Y型耦合器。2004年，Yamada等使用波长为800nm，重复频率为1kHz的飞秒激光在玻璃上制作了微型衍射透镜。2009年，Valle等利用商用钛宝石飞秒激光器在玻璃基质上制作了光波导和放大器等。

在国内，从上个世纪末开始，先后有多家科研单位利用自制或进口的商用飞秒激光系统开展飞秒激光制作光子器件的研究工作，侧重于在K9玻璃、玻璃晶体、氟化钙玻璃等材料中进行制作光波导方面的理论和实验研究。

然而，现有的基于飞秒激光的微光学元件制作技术，只能实现对单一功能的微光学器件的制作，但对于将单一功能的微光学元件与其它微光学元件集成的微光学元件产品及其制作方法方面的研究，在国内外却未见相关报道。如果能够实现微透镜与光波导功分器的集成，则能够提高耦合效率，降低整个元件的传输损耗，在实际应用中具有重要作用。但是，对于将多个微光学器件集成在一块基底上的制作技术，在国内外尚属于研究空白。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法。本发明应用离子交换技术，在玻璃基底形成半球型聚焦微透镜阵列，进而利用飞秒激光诱导玻璃基底的内部发生折射率变化，形成微米宽度的光波导功分器，从而实现将微透镜和光波导功分器两种基本微光学元件集成在一块玻璃基底上，生成具有最佳性能的微光学集成器件。

本发明提供了一种微透镜与光波导功分器集成元件，其特征在于，包括：

玻璃基底；

半球型微透镜阵列，所述半球型微透镜阵列通过离子交换形成于所述玻璃基底表面；

光波导功分器，其通过飞秒激光刻写于所述玻璃基底内部形成光波导。

优选地，其中，所述光波导功分器为1×4分路的光功分器。

优选地，其中，所述光波导功分器从所述半球型微透镜阵列的焦点出发形成所述光波导。

优选地，其中，所述玻璃基底的材料为含钠离子自制玻璃。

本发明还提供了上述微透镜与光波导功分器集成元件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制作玻璃基底；

步骤2：通过离子交换在所述玻璃基底表面形成半球型微透镜阵列；

步骤3：采用飞秒激光以预定的扫描速度和轨迹扫描玻璃基底，诱导所述玻璃基底内部形成光波导功分器。

其中，优选地，步骤1中所述玻璃基底采用含钠离子玻璃材料熔制。

其中，优选地，步骤2中所述离子交换采用铯离子与钠离子作为离子交换对，所述离子交换的交换时间为48小时，交换温度为530℃；并且所述离子交换包括镀钛膜、点状光刻和铯离子钠离子交换步骤。

其中，优选地，步骤3中采用的飞秒激光为单脉冲能量30mJ，光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率为10Hz的钛宝石飞秒激光。并且，进一步优选地，所述飞秒激光经聚焦后扫描玻璃基底，聚焦光斑小于10μm。

其中，优选地，步骤3中利用计算机控制系统控制根据光分路路径控制所述飞秒激光的扫描速度和轨迹，所述预定的扫描速度为350-400μm/s。

其中，优选地，在步骤3中采用透镜成像方法和平行光聚焦法确定半球型微透镜阵列的焦点区间，并控制飞秒激光从焦点出发扫描所述玻璃基底形成光波导。

本发明从离子交换形成半球聚焦微透镜出发，采用飞秒激光诱导玻璃内部发生变化形成光波导，实现微透镜与光波导的对准和耦合，形成最佳性能的微光学集成元件，填补了本领域技术空白。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例所采用的飞秒激光控制系统。

图2是本发明实施例的微透镜与光波导功分器集成元件的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。

图1是在本发明实施例中，用于制作本发明所述微透镜与光波导功分器集成元件的飞秒激光控制系统。其中，泵浦激光器101和钛宝石飞秒谐振腔102用于生成飞秒激光脉冲；所生成的飞秒激光输出波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率为10Hz，单脉冲能量30mJ。所述飞秒激光经滤光片组103进入衰减片组104进行能量衰减，并配合光源的电源调节，最终使激光达到适合光波导刻写的能量级。其中衰减片组104可以采用连续可调中性密度衰减片。衰减后的飞秒激光的实际能量大小可以在激光通过显微物镜前放入光束取样镜功率计加以测量。经衰减的激光经由光闸105、扩束器106以及分色镜107后进入显微物镜108，由该显微物镜108聚焦。显微物镜108的数值孔径有0.2、0.4和0.6，激光光束聚焦后形成的光斑应小于10μm，使其功率密度超过10¹²～10¹⁴W/cm²。实验证明，在激光的功率密度大于上述范围时，可以诱导玻璃基底的折射率发生变化，且变化程度随着功率密度增大而增大。折射率变化可以通过显微镜观察，经测量，玻璃基底的折射率变化在10^-4～10^-2范围内时符合光波导应用要求。如图1所示，玻璃基底10固定于三维扫描平台110上，且三维扫描平台和光闸105均受到控制系统111的控制。控制系统111是计算机控制系统，根据预先设计的光分路路径方程，通过移动三维扫描平台110来控制激光对玻璃基底10的扫描速度和路径，从而在玻璃基底10内诱导形成光波导功分器。三维扫描平台110的最小分辨率应为30nm，以便控制扫描精度。CCD112和监视器113用于监测飞秒激光聚焦后的光斑大小以及在玻璃基底内的定位。

本发明利用离子交换技术以及图1所示的飞秒激光控制系统，并改进玻璃基底的掺杂成分，实现对微透镜与光波导功分器集成元件的制作。下面详细介绍具体的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制作玻璃基底。通过研究各种掺杂成分对微光学器件性能的影响，本发明的玻璃基底采用含钠离子玻璃(GaO-GeO-Na₂O-SiO₂)成分配制，熔制形成均匀透明的光学玻璃，从而实现了最优化的微光学器件原材料配方。

步骤2：通过离子交换在所述玻璃基底表面形成半球型微透镜阵列。本步骤中所述离子交换采用铯离子与钠离子(Cs⁺-Na⁺)作为离子交换对，并且所述离子交换的交换时间为48小时，交换温度为530℃。具体来说，步骤2中包括镀钛膜、点状光刻和铯离子、钠离子(Cs⁺-Na⁺)交换步骤，这与现有的离子交换制作微透镜阵列的方法相同，篇幅所限不再赘述。

步骤3：采用飞秒激光以预定的扫描速度和轨迹扫描玻璃基底，诱导所述玻璃基底内部形成光波导功分器。本步骤中采用图1所示的飞秒激光控制系统进行玻璃基底内部的刻制，形成微米宽度的光波导功分器。如前文所述，步骤3中采用的飞秒激光为单脉冲能量30mJ，光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率为10Hz的钛宝石飞秒激光。激光束能量通过对光源的电源调节和连续可调中性密度衰减片来控制，其实际大小通过在物镜前放入光束取样镜用功率计测量。经物镜聚焦后所述飞秒激光的聚焦光斑小于10μm，功率密度超过10¹²～10¹⁴W/cm²，可以诱导玻璃基底的折射率变化，当玻璃基底的折射率变化在10^-4～10^-2范围内时，符合光波导应用要求，可以形成光波导功分器。

在步骤3中，利用计算机控制系统，根据光路径方程预先设计飞秒激光的扫描速度和运动轨迹，从而根据光分路路径控制所述飞秒激光的扫描速度和轨迹。其中，预定的扫描速度为350-400μm/s。

本发明为了实现微透镜与光波导功分器高效率集成，其关键是微透镜与光波导功分器的对准和耦合，从而使光信息在集成元件内部有效传输。为了实现对准与耦合，在步骤3中采用透镜成像方法和平行光聚焦法确定半球型微透镜阵列的焦点区间，并通过控制系统控制飞秒激光从微透镜阵列的焦点出发开始扫描所述玻璃基底，从而形成光波导。

为了检测和分析本发明所述集成元件的传输效率，实现最佳性能，在完成以上制作步骤之后，进一步通过多功能显微镜BK51、紫外-可见-近红外光谱仪UV-3150、光斑质量分析仪LBA-700PC、光波导对准耦合系统等设备分析、测试半球型透镜的聚焦本领和焦点位置、透镜与波导功分器耦合效率、整个集成元件的传输损耗和输出端能量分布的均匀性等进行测试和分析。

图2示出了通过以上制作方法生成的微透镜与光波导功分器集成元件的结构。如图2所示，所述微透镜与光波导功分器集成元件包括：

玻璃基底10，所述玻璃基底10是采用含钠离子玻璃成分配制并熔制而成的均匀透明的光学玻璃基质。

半球型微透镜阵列20，所述半球型微透镜阵列20通过离子交换形成于所述玻璃基底表面；

光波导功分器30，其通过飞秒激光L刻写于所述玻璃基底内部形成光波导。在图1中，所述光波导功分器为1×4分路的光功分器。并且，所述光波导功分器30从所述半球型微透镜阵列20的焦点出发形成所述光波导，以实现微透镜与光波导功分器的对准，提高微透镜与光波导功分器的耦合效率，降低整个集成元件的传输损耗。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本发明还可以应用在其它控制设备中。本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微透镜与光波导功分器集成元件，其特征在于，包括：

玻璃基底；

半球型微透镜阵列，所述半球型微透镜阵列通过离子交换形成于所述玻璃基底表面；

光波导功分器，其通过飞秒激光刻写于所述玻璃基底内部形成光波导。

2.根据权利要求1所述的微透镜与光波导功分器集成元件，其特征在于，所述光波导功分器为1×4分路的光功分器。

3.根据权利要求1所述的微透镜与光波导功分器集成元件，其特征在于，所述光波导功分器从所述半球型微透镜阵列的焦点出发形成所述光波导。

4.根据权利要求1所述的微透镜与光波导功分器集成元件，其特征在于，所述玻璃基底的材料为含钠离子玻璃。

5.一种微透镜与光波导功分器集成元件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制作玻璃基底；

步骤2：通过离子交换在所述玻璃基底表面形成半球型微透镜阵列；

步骤3：采用飞秒激光以预定的扫描速度和轨迹扫描玻璃基底，诱导所述玻璃基底内部形成光波导功分器。

6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤1中所述玻璃基底采用含钠离子玻璃材料熔制。

7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤2中所述离子交换采用铯离子与钠离子作为离子交换对，所述离子交换的交换时间为48小时，交换温度为530℃；并且所述离子交换包括镀钛膜、点状光刻和铯离子钠离子交换步骤。

8.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤3中采用的飞秒激光为单脉冲能量30mJ，光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率为10Hz的钛宝石飞秒激光，所述飞秒激光经聚焦后扫描玻璃基底，聚焦光斑小于10μm。

9.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，步骤3中利用计算机控制系统控制根据光分路路径控制所述飞秒激光的扫描速度和轨迹，所述预定的扫描速度为350-400μm/s。

10.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步骤3中采用透镜成像方法和平行光聚焦法确定半球型微透镜阵列的焦点区间，并控制飞秒激光从焦点出发扫描所述玻璃基底形成光波导。

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