CN105572801A - 基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光集成领域，提供了一种基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法，以解决传统飞秒激光直写技术所制备的波导折射率差较小的弊端。本发明所提供的波导制备装置包括依次设置在飞秒激光脉冲源输出光路上的半波片、薄膜偏振片、快门、聚焦物镜以及掺杂了多种金属离子的光学玻璃。光学玻璃位于三维移动台上,由三维移动台控制移动，且光学玻璃的移动方向与飞秒激光脉冲源的输出光路垂直。本发明所用的飞秒激光脉冲源为重复频率≥100kHZ的高重频飞秒脉冲源；聚焦物镜的数值孔径≥0.55，物镜倍数≥50×。本发明可制成具有大折射率差的波导，同时能有效改善传统飞秒直写方式制成的波导存在缺陷和应力残留的问题，从而降低了波导损耗。
Description
技术领域
本发明属于光集成领域，涉及一种基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法。
背景技术
随着光通讯领域的发展，高集成度、高可靠性、低功耗和低成本的光集成器件制备技术的研发显得愈来愈重要。波导是光集成器件的最基本单元之一，其制备技术的优良至关重要。目前波导的制备技术主要有离子注入技术，离子交换技术，硅基波导技术和飞秒激光直写技术等。
离子注入技术主要是通过将被电场加速了的高能离子直接注入到光学材料中以改变材料的原有结构，产生低折射率损伤层，进而材料表层成为了相对高折射率的波导芯层，这种技术往往需要退火等后续处理工艺以去除波导制备过程中产生的缺陷，因而难以得到具有圆对称波导截面的波导。离子交换技术则是在一定条件下使要掺杂的离子与衬底材料中的特定离子进行交换,从而改变折射率形成波导，这种技术可以制备出低损耗、低成本的波导，但制备工艺复杂，制备速度慢。硅基波导技术是上世纪90年代以来快速发展的新技术，以单晶硅为基底，在其上面生长具有较低折射率的绝缘层，然后在绝缘层上生长芯层，通过腐蚀技术可以得到具有大折射率差的波导，易于实现小曲率半径的弯曲波导，然而这种技术工艺复杂，成本高昂，且存在与单模光纤之间模场失配的问题。前述三种技术均只能制备浅表层波导，而飞秒激光直写技术则是利用聚焦了的飞秒激光与光学材料直接作用，从而在材料内部诱导出永久性的折射率变化(该折射率变化的机理包括材料结构改变稠密化、色心机制、应力机制等)。由于激光加工特有的灵活性，飞秒激光直写技术可以在材料内部加工出三维波导，且通过空间光整形可以方便的调控波导截面的形状；由于飞秒激光直写技术可以刻写出截面尺寸与单模光纤纤芯截面尺寸相当的波导，因此与单模光纤耦合起来方便。然而通过飞秒激光直写技术刻写的波导存在折射率差较小的问题(10-3～10-4)，且加工过程中往往会产生缺陷和应力残余。
本发明要解决的技术问题是提供一种基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法，可制备出具有大折射率差的波导。
本发明的技术方案：
基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置包括飞秒激光脉冲源、聚焦物镜、掺杂了多种金属离子的光学玻璃和三维移动台；其特殊之处在于：该装置还包括半波片、薄膜偏振片和快门。前述半波片设置在飞秒激光脉冲源的输出光路上，薄膜偏振片设置在半波片的输出光路上，聚焦物镜设置在薄膜偏振片的输出光路上，光学玻璃放置在三维移动台上并且位于聚焦物镜的成像焦面上。前述光学玻璃由三维移动台控制移动，且光学玻璃的移动方向与飞秒激光脉冲源的输出光路垂直。在前述薄膜偏振片和聚焦物镜之间的光路上设置有快门。前述飞秒激光脉冲源为重复频率≥100kHZ的高重频飞秒脉冲源；前述聚焦物镜的数值孔径≥0.55，物镜倍数≥50×。
为降低在激光刻写过程中产生的缺陷和残余应力，进而降低波导的传输损耗，上述波导制备装置还包括热辐照装置。所述热辐照装置包括激光源、第一透镜和第二透镜，其中第一透镜设置在激光源的输出光路上，第二透镜的成像焦点位于第一透镜的成像焦面上，并且第二透镜的输出光束在磷酸盐玻璃上的辐照区域与所述聚焦物镜在磷酸盐玻璃上的聚焦区域一致。
上述激光源是中心波长为976nm的连续激光源。
上述金属离子为镧离子和钾离子；所述光学玻璃为磷酸盐玻璃。
基于上述飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置，本发明还提供了一种制备波导的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
(1)开启飞秒激光脉冲源，产生高重频飞秒激光。
(2)调整半波片和薄膜偏振片，以控制聚焦到光学玻璃上的飞秒激光功率在刻写要求的范围内。
(3)在激光刻写的同时使用连续激光经第一透镜缩束和第二透镜准直后照射在光学玻璃上，并且照射区域与激光刻写的聚焦区域始终保持一致，用以降低在激光刻写过程中产生的缺陷和残余应力，最终形成具有大折射率差、传输损耗较小的波导。
上述步骤(3)中激光刻写的具体过程为：按下快门，使飞秒激光通过聚焦物镜聚焦到光学玻璃上，与此同时，三维移动台控制光学玻璃沿与飞秒激光的入射方向垂直的方向移动；在光学玻璃上飞秒激光的聚焦区域发生光子吸收等一系列非线性效应并发生软化，同时受聚焦区域的强光场的诱导，聚焦区域原本均匀分布的离子将发生区域性的同种离子间高浓度富集现象，即在聚焦区域的光学玻璃内部高价态离子富集的区域折射率升高，低价态离子富集的区域折射率降低，从而形成具有大折射率差的波导。
本发明是采用横向刻写(即飞秒激光脉冲的入射方向和光学玻璃的移动方向垂直)的方式将高重频的飞秒激光脉冲通过高数值孔径的聚焦物镜直接聚焦于掺杂了多种金属离子的光学玻璃内部，在焦点区域产生超高的光功率密度，诱导材料中原本均匀分布的离子出现同种离子间区域性地高浓度富集现象，从而改变材料中激光刻写痕迹线上化学元素的空间分布，最终在高相对原子质量的离子聚集区域形成具有大折射率差的波导(波导的折射率差可达10-2～10-3)，波导截面形状可以通过空间光调制方便地调控。
本发明的优点是：
1、制成的波导折射率差大
本发明采用重复频率≥100kHZ的高重频飞秒脉冲源结合数值孔径≥0.55的聚焦物镜，可制成折射率差为10-2～10-3的波导。
2、可避免波导存在缺陷和应力残余问题
本发明在飞秒激光刻写的同时对光学玻璃进行加热，有效的改善了传统飞秒直写方式制成的波导存在缺陷和应力残留的问题。
3、损耗低、成本低。
说明书附图
图1为本发明的结构示意图；
图2为采用本发明所制成的波导的横截面示意图；
图3为采用本发明所制成的波导的立体示意图；
其中：1-刻写装置；11-飞秒激光脉冲源；12-半波片；13-薄膜偏振片；14-快门；15-聚焦物镜；16-光学玻璃；2-热辐照装置；21-激光源；22-第一透镜；23-第二透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明所提供的基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置包括刻写装置1和热辐照装置2。
刻写装置1包括飞秒激光脉冲源11、半波片12、薄膜偏振片13、快门14、聚焦物镜15、掺杂了多种金属离子的光学玻璃16和三维移动台。半波片12设置在飞秒激光脉冲源11的输出光路上，薄膜偏振片13设置在半波片12的输出光路上，聚焦物镜15设置在薄膜偏振片13的输出光路上，光学玻璃16放置在三维移动台上并且位于聚焦物镜15的成像焦面上。光学玻璃16由三维移动台控制移动，且光学玻璃16的移动方向与飞秒激光脉冲源11的输出光路垂直(即从飞秒激光脉冲源11输出的脉冲激光的光路与空间直角坐标系的X轴平行，光学玻璃16在空间直角坐标系的YOZ面上移动)。为更精准的控制飞秒激光脉冲源1的开启和光学玻璃16的运动同步，在薄膜偏振片13和聚焦物镜15之间的光路上设置有快门14。为制备具有大折射率差的波导，飞秒激光脉冲源1采用重复频率≥100kHZ的高重频飞秒脉冲源；聚焦物镜5采用数值孔径≥0.55、物镜倍数≥50×的高倍数、高数值孔径的聚焦物镜。
热辐照装置2包括中心波长为976nm的连续激光源21、第一透镜22和第二透镜23，其中第一透镜22设置在激光源21的输出光路上，第二透镜23的成像焦点位于第一透镜22的成像焦面上，并且第二透镜23的输出光束在光学玻璃16上的辐照区域与聚焦物镜15在光学玻璃16上的聚焦区域一致。
本发明在飞秒激光刻写过程中只要保证光学玻璃16的移动方向始终与飞秒激光脉冲源11的输出光路垂直即可，光学玻璃16沿直线运动即可制成直线波导，光学玻璃16沿曲线运动即可制成曲线波导。
基于上述飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置，本发明还提供了一种制备波导的方法，该方法包括以下步骤：
(1)开启飞秒激光脉冲源11，产生高重频飞秒激光；
(2)调整半波片12和薄膜偏振片13，以控制聚焦到光学玻璃16上的飞秒激光功率在刻写要求的范围内。
(3)激光刻写的同时辐照加热：
激光刻写：按下快门14，使飞秒激光通过聚焦物镜15聚焦到光学玻璃16上，与此同时，三维移动台控制光学玻璃16沿与飞秒激光的入射方向垂直的方向移动；在光学玻璃16上飞秒激光的聚焦区域发生光子吸收等一系列非线性效应并发生软化，同时受聚焦区域的强光场的诱导，聚焦区域原本均匀分布的离子将发生区域性的同种离子间高浓度富集现象，即在聚焦区域的光学玻璃16内部高价态离子富集的区域折射率升高，低价态离子富集的区域折射率降低，从而形成具有大折射率差的波导。
辐照加热：在激光刻写的同时使用连续激光源21产生连续激光，连续激光经第一透镜22与第二透镜23配合缩束准直后照射在光学玻璃16上，并且照射区域与聚焦物镜15在光学玻璃16上的聚焦区域始终保持一致，用以降低在激光刻写过程中产生的缺陷和残余应力，进而降低波导的传输损耗。
本发明的工作原理和工作过程是：重复频率≥100kHZ的高重频飞秒激光经高数值孔径(数值孔径≥0.55)的聚焦物镜15聚焦于掺杂了多种金属离子的光学玻璃16上，在飞秒激光的聚焦区域的光学玻璃16上将发生多光子吸收等一系列非线性效应，同时由于高重频飞秒激光的热累积效应，聚焦区域的光学玻璃16将发生软化，与此同时受聚焦区域的强光场的诱导，聚焦区域原本均匀分布的离子将发生区域性的同种离子间高浓度富集现象(聚焦区域内光学玻璃16内部不同离子的空间浓度发生变化)，即在光学玻璃16内部高价态离子富集的区域折射率升高，低价态离子富集的区域折射率降低，从而形成具有大折射率差(折射率差达10-2～10-3)的波导，波导的截面形状可通过空间光整形来调整，波导的折射率差可通过调节聚焦到光学玻璃16上的飞秒激光脉冲源的激光功率来调整(聚焦到光学玻璃16上的飞秒激光功率越大，折射率差越大)。本发明由半波片12和薄膜偏振片13组成激光功率调节器，用以控制聚焦到光学玻璃16上的激光功率。
采用辐照装置2在刻写装置1制备波导的同时对光学玻璃16进行辐照加热，即在激光刻写的同时采用中心波长为976nm的连续激光经第一透镜22缩束和第二透镜23准直后照射在光学玻璃16上，并且照射区域与聚焦物镜15在光学玻璃16上的聚焦区域一致，从而有效降低了波导在刻写过程中产生的缺陷和残余应力，进而降低波导的传输损耗。本发明的热辐照效果可以通过调节激光源21的连续光功率来实现。
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术效果。
实施例一：
飞秒激光脉冲源11的重复频率为1kHZ，光谱中心波长为800nm，光谱宽度为12nm，脉冲宽度为165fs；聚焦物镜15的物镜倍数为20×、数值孔径为0.42；光学玻璃16为掺杂了镧离子和钾离子的磷酸盐玻璃；光学玻璃16沿着空间直角坐标系的Z轴运动(此时飞秒激光脉冲源11的输出光路与X轴平行)；不进行辐照加，刻写出来的波导的折射率差只有3.0×10-4，且没有产生离子交换现象。
实施例二：
当飞秒激光脉冲源11的重复频率为100kHZ，光谱中心波长为800nm，光谱宽度为12nm，脉冲宽度为165fs；聚焦物镜15的物镜倍数为10×、数值孔径为0.28；光学玻璃16为掺杂了镧离子和钾离子的磷酸盐玻璃；光学玻璃16沿着空间直角坐标系的Z轴运动(此时飞秒激光脉冲源11的输出光路与X轴平行)；不进行辐照加，刻写出来的波导的折射率差只有5.3×10-4，且没有产生离子交换现象。
实施例三：
飞秒激光脉冲源11的重复频率为100kHZ，光谱中心波长为800nm，光谱宽度为12nm，脉冲宽度为165fs；聚焦物镜15的物镜倍数为50×、数值孔径为0.55；光学玻璃16为掺杂了镧离子和钾离子的磷酸盐玻璃；激光源21的中心波长为976nm；光学玻璃16沿空间直角坐标系的Z轴运动(此时飞秒激光脉冲源11的输出光路与X轴平行)，刻写的同时使用激光源21连续照射光学玻璃16的聚焦区域。
如图2和图3所示，刻痕的横截面呈泪滴状，且刻痕横截面上的离子分布为：钾离子沿着飞秒激光的入射方向迁移并聚集在泪滴状刻痕区域的小端，镧离子则逆着飞秒激光的入射方向迁移并聚集在泪滴状刻痕区域的大端，导光区域(即波导区域)即为镧离子的富集区域，折射率差高达10-2，并且可通过空间光整形(例如狭缝整形)将波导的横截面形状修整为直径约为8μm的圆形，波导的损耗在1.35dB/cm左右。而使用同样的刻写装置和参数，但刻写过程没有同时进行辐照加热时，制成的波导的折射率差仍然可达到10-2，但波导的损耗增大至1.9db/cm。
Claims (6)
1.基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置，包括飞秒激光脉冲源、聚焦物镜、掺杂了多种金属离子的光学玻璃和三维移动台；其特征在于：还包括半波片、薄膜偏振片和快门；所述半波片设置在飞秒激光脉冲源的输出光路上，所述薄膜偏振片设置在半波片的输出光路上，所述聚焦物镜设置在薄膜偏振片的输出光路上，所述光学玻璃放置在三维移动台上并且位于聚焦物镜的成像焦面上；所述光学玻璃由三维移动台控制移动，且光学玻璃的移动方向与飞秒激光脉冲源的输出光路垂直；在所述薄膜偏振片和聚焦物镜之间的光路上设置有快门；所述飞秒激光脉冲源为重复频率≥100kHZ的高重频飞秒脉冲源；所述聚焦物镜的数值孔径≥0.55，物镜倍数≥50×。
2.根据权利要求1所述的基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置，其特征在于：还包括热辐照装置；所述热辐照装置包括激光源、第一透镜和第二透镜；所述第一透镜设置在激光源的输出光路上；所述第二透镜的成像焦点位于第一透镜的成像焦面上；所述第二透镜的输出光束在磷酸盐玻璃上的辐照区域与所述聚焦物镜在磷酸盐玻璃上的聚焦区域一致。
3.根据权利要求2所述的基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置，其特征在于：所述激光源是中心波长为976nm的连续激光源。
4.根据权利要求3所述的基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置，其特征在于：所述金属离子为镧离子和钾离子；所述光学玻璃为磷酸盐玻璃。
5.采用权利要求2所述的基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置制备波导的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)开启飞秒激光脉冲源，产生高重频飞秒激光；
(2)调整半波片和薄膜偏振片，以控制聚焦到光学玻璃上的飞秒激光功率在刻写要求的范围内；
(3)在激光刻写的同时使用连续激光经第一透镜缩束和第二透镜准直后照射在光学玻璃上，并且照射区域与激光刻写的聚焦区域始终保持一致，用以降低在激光刻写过程中产生的缺陷和残余应力，最终形成具有大折射率差、传输损耗较小的波导。
6.根据权利要求5所述的基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置制备波导的方法，其特征在于：所述激光刻写的具体过程为：按下快门，使飞秒激光通过聚焦物镜聚焦到光学玻璃上，与此同时，三维移动台控制光学玻璃沿与飞秒激光的入射方向垂直的方向移动；在光学玻璃上飞秒激光的聚焦区域发生光子吸收等一系列非线性效应并发生软化，同时受聚焦区域的强光场的诱导，聚焦区域原本均匀分布的离子将发生区域性的同种离子间高浓度富集现象，即在聚焦区域的光学玻璃内部高价态离子富集的区域折射率升高，低价态离子富集的区域折射率降低，从而形成具有大折射率差的波导。
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