CN106471406A - 具有激光制造的非线性波导的高功率可见光激光器 - Google Patents

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Abstract

公开了用于波导制造和设计的新方法和系统。描述了用于通过飞秒脉冲激光制造脊波导、掩埋式波导和混合波导的设计。激光器系统可以将二极管条、波长组合器和波导组合。波导可以将红外激光的电磁辐射转换成可见光波长范围。

Description

具有激光制造的非线性波导的高功率可见光激光器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年7月1日提交的美国临时专利申请No.62/019,601以及于2014年8月11日提交的美国临时专利申请No.62/035,674的优先权，其中的每一个通过引用而整体并入本文。
技术领域
本公开涉及光波导。更特别地，本公开涉及具有激光制造的非线性波导的高功率可见光激光器。
附图说明
被并入并构成本说明书的一部分的附图例示了本公开的一个或多个实施例，并且与示例实施例的描述一起用于解释本公开的原理和实现。
图1例示了用于脊波导、掩埋式波导和混合波导设计的示例性过程。
图2例示了示例性的脊波导。
图3描绘了示例性的掩埋式波导。
图4描绘了示例性的混合波导。
发明内容
在本公开的第一方面中，描述了一种波长转换非线性脊波导，该波长转换非线性脊波导包括：非线性晶体衬底；在非线性晶体衬底的顶部表面上的第一介电层；在第一介电层的顶部表面上的波导层，波导层包括至少一个激光制造的脊区，该至少一个激光制造的脊区被配置为允许形成光学模式(optical mode)，该光学模式基本上由至少一个激光制造的脊区和第一介电层限界(delimit)；以及在波导层的顶部表面上的第二介电层。
在本公开的第二方面中，描述了一种波长转换非线性掩埋式波导，该波长转换非线性掩埋式波导包括：非线性晶体衬底；以及在非线性晶体衬底中的多个激光制造的损伤轨迹(damage track)，其中该多个激光制造的损伤轨迹具有与非线性晶体衬底的未受损的晶体结构不同的晶体结构，该多个激光制造的损伤轨迹被按照期望图案布置，期望图案被配置为允许在非线性晶体衬底的基本上由该期望图案限界的区域内形成光学模式。
在本公开的第三方面中，描述了一种波长转换非线性混合波导，该波长转换非线性混合波导包括：非线性晶体衬底；在非线性晶体衬底中的激光制造的损伤轨迹的层，其中激光制造的损伤轨迹具有与非线性晶体衬底的未受损的晶体结构不同的晶体结构；在非线性晶体衬底的顶部表面上的至少一个激光制造的脊区，该至少一个激光制造的脊区被配置为允许形成光学模式，该光学模式基本上由所述至少一个激光制造的脊区和损伤轨迹的层限界；以及在非线性晶体衬底的顶部表面上的介电层。
具体实施方式
低成本、高功率可见光激光源是下一代电影投影机的重要组成部分。本公开描述了用于制造这种激光器的方法。该激光器基于激光二极管条、波长组合器以及使用飞秒(fs)激光写入技术制造的波长转换非线性波导。例如在US 7423802B2、US 7265896B2、US7265897B2、US 7116468B2、US 20070297732A1、US 20080025350A1中描述了激光二极管条、波长组合器和使用等离子体蚀刻制造的波长转换非线性波导及它们的组合，通过引用将所有这些的公开内容整体并入本文。例如在以下文献中描述了使用fs激光写入技术制造的波长转换非线性波导的各种设计：Xu等人的Phys.Status Solidi RRL，7(11)，2013，1014–1017；Burghoff等人的Appl.Phys.A 89,127–132，2007；Dong等人的IEEE Journal OfSelected Topics In Quantum Electronics,第15卷,第1期,1月/2月，2009；Fu等人的Optics Express,第17卷,第14期,7月6号，2009，11782页，通过引用将所有这些的公开内容整体并入本文。然而，这种设计对于制作可以大量生产的大模式面积、单模(或近单模)、低损耗的波导而言具有有限的实用性。
如本公开所描述的，在可见光波长范围中的激光源包括一个或多个红外激光光源，在若干实施例中包括激光二极管条。激光二极管的输出可被耦合到将激光辐射引至单个输出端口(例如，单模波导)的波长组合器(例如，阵列波导光栅)的输入端口。波长转换(倍频)非线性波导然后可以将红外辐射转换到可见光谱范围。波长组合器和/或非线性波导可以向激光二极管提供光学反馈，稳定每个发射器在其自己的波长处的操作。
可以使用fs激光写入技术来制造非线性波导。相比于波导的等离子体蚀刻，以及相比于其它系统，这允许更好的性能和更低的生产成本。可以在化学计量(或近化学计量)钽酸锂衬底(SLT)上制造非线性波导。SLT具有高的非线性光学系数，并允许高效的波长转换和高的功率处理能力(>10W)。为了高转换效率，衬底可以是z切割(也可以使用x切割和y切割)，并可以具有可使用常见方法制造的准相位匹配光栅(具有适当选择的周期)。波导方向可以沿着衬底的y轴。然而，也可以使用沿着x轴取向的波导。此外，也可以使用弯曲或其他非直线波导或者波导回路。波导可以支持在二极管激光波长和/或倍频波长处的单模(或近单模)操作。所支持的模式直径为15-50μm，优选为30μm(μm为微米)。波导传播损耗可以是<3dB/cm，例如<1dB/cm，或<0.3dB/cm。
在本公开中描述了对于波导设计类型的三种类型的实施例：脊波导、掩埋式波导和混合波导。
在图2中示意性地示出了示例性脊波导的截面。全等钽酸锂(CLT)衬底205涂覆有二氧化硅(SiO2)的薄层(210)。然后在顶部接合SLT(215)，该SLT(215)随后在整个表面上被均匀地研磨至15-50μm的厚度。然后使用飞秒激光处理从顶部表面去除5-20μm的材料，留下5-20μm高、20-50μm宽的长脊(220)。烧蚀区域(225)从该脊在两侧上延伸50-100μm或更远。然后整个结构可以用SiO2外覆。可选地，可以进行附加的退火和/或等离子体蚀刻步骤以改善传播损耗。
在一些实施例中，衬底可以是z切割化学计量周期极化钽酸锂(SLT)。在一些实施例中，粗糙度可以是<100nm均方根(rms)，即，侧壁和底面在脊(220)的外侧延伸至50-100μm或更多。
如果适当地选择脊的高度和宽度，则例如在图2中描述的脊结构可以支持单模(或近单模)操作。在图2中，该模式被示意性地示为虚线(235)。为了简单起见，绘制了椭圆线(235)，而实际的模式可以呈现更复杂的轮廓。
脊波导中的传播损耗是由吸收以及粗糙导致的散射引起的。在经激光处理的表面上可以实现<100nm rms的粗糙度，并且该粗糙度对于器件的操作是有利的。与由激光应用引起的物理处理相反，对经处理表面的化学还原可能导致过度的粗糙度。在激光处理期间，也可以有利地最小化或避免SLT衬底的非晶化。为了实现低的传播损耗，可以在以下参数中仔细地优化fs激光处理：扫描速度、重叠、通过次数、脉冲长度、重复率、波长、偏振、聚焦条件以及其他。在一些实施例中，仅波导的脊是由脉冲激光制造的。
另外，在fs激光处理期间，表面环境控制可以被用于去除碎屑、改善粗糙度、控制温度和化学成分，这种控制可以通过氧气、臭氧、氮气、空气或其它气体的一个或多个射流来实现。
本领域技术人员将理解，可以修改图2的示例来获得脊结构的不同变型。
在图3中示意性地示出示例性掩埋式波导的截面。波导结构被直接写在衬底材料中。因为可以消除若干个严苛和相关的处理步骤，所以与图2的脊波导相比，掩埋式波导的制造工艺可以被极大地简化。
当具有μJ级别能量的激光脉冲(来自fs激光器)在衬底(305)的表面下聚焦到具有几微米直径的点时(μJ为微焦耳)，可发生永久性的材料损伤。损伤点可以具有椭圆形形状(参见例如310)，在尺寸方面为约2×10μm(或者在2-10μm×3-20μm的范围内)。fs激光束(或衬底(305))可以垂直于光束传播方向平移，造成连续或离散的损伤轨迹，参见例如(315、320、325)。
换句话说，可以在构成波导的图案中追踪多个损伤轨迹(310)。
与衬底305的折射率相比，材料的折射率在轨迹内减小。在轨迹附近，折射率由于应力而增加，这是因为使晶格变形的机械应力将改变其性质，诸如折射率。
波导结构可以通过以圆形图案布置许多紧密间隔的损伤轨迹而形成，其中轨迹之间的间隔与单个的轨迹尺寸相当。
光学模式(330)位于损伤环内侧的未受损的衬底材料中，损伤环是由各个损伤轨迹形成的圆形图案。这种波导被称为凹陷包层或III型波导。虽然这种波导设计对于小损伤环直径支持单模操作，但是对于更大的直径，波导变成多模的。本领域技术人员将理解，对于高功率应用，需要单模操作和大模式直径(>20μm，优选地>30μm)。
光纤、大节距泄漏通道光纤设计可以被用于将单模操作扩展到大模式直径。在这种设计中，折射率更小的棒(直径几十微米)被放置在光纤芯周围，有效地抑制更高阶模的传播。光纤中的应力诱发的引导可以被用于将单模操作扩展到大模式直径。
在图3示例的实施例中，损伤轨迹可以被按照圆形或非圆形图案来布置，并且可以被规则地或非规则地间隔开。可以使用一个或多个损伤轨迹环。在图3中，波导芯(335)的中心可以在衬底表面下方30-100μm处，以及损伤环的直径(轨迹(310)的环的内侧)可以是30-100μm。光学模式(330)位于损伤环内侧(轨迹310的环的内侧)的未受损的衬底材料中。光学模式在图3中被示意性地示为虚线330。为了简单起见，绘制圆形线，而实际的模式可以呈现更复杂的轮廓。在一些实施例中，衬底对于加工激光可以是透明的，以避免来自衬底的激光吸收。
可以按照1-10个或更多个轨迹为一组来布置损伤轨迹310。在每个组内，轨迹可以被彼此靠近地放置，具有与轨迹尺寸相当的分隔。这导致由该组占据的区域上的有效折射率减小。与大节距泄漏通道光纤设计类似，这些组能够以更大的距离(与组的尺寸相当)分隔以抑制更高阶模传播。在一些实施方案中，可以使用4-36个或更多个组。
可替换地，可以有效地使用应力诱发的损伤轨迹附近的折射率的增加来形成波导。这可以通过将损伤轨迹放置在未受损的芯的周围来实现，由此使得未受损的芯的折射率由于晶格中的应力而增加。可以针对单模、大模式直径波导操作而优化损伤轨迹的放置、它们的强度和所得到的应力分布。损伤轨迹周围的应力分布一般可以是各向异性的。在波导设计中对各向异性加以考虑是有利的。在这种设计中，可以将光学模场有效地推离损伤轨迹。这可以导致传播损耗减少以及非线性转换效率改善。
另一替代方案是利用泄漏通道和应力诱发引导二者来实现低损耗、单模、大模式直径波导操作。
制造掩埋式波导的整个工艺可以包括利用fs激光器在衬底表面下创建损伤轨迹。可以使用附加的退火步骤来改善波导性能。与脊波导制造相比，针对掩埋式波导的这种制造工艺可以被极大地简化。消除了若干个严苛的处理步骤以及一些资本设备。此外，由于在掩埋式波导制造期间没有表面烧蚀，因此不需要控制复杂的表面化学性质。
可以选择fs激光处理参数以产生强的可再现的损伤轨迹，同时避免在轨迹处和轨迹周围的材料断裂。为了获得最佳的波导性能，可以在以下各项中仔细地优化参数：扫描速度、重叠、通过次数、脉冲长度、重复率、波长、偏振、聚焦条件，以及其它。
在以上实施例中，已经描述了连续损伤轨迹的制造，如可以通过重叠由各个fs脉冲产生的损伤点来实现的。可替换地，可以通过沿着波导方向以规则图案放置各个非重叠的损伤点来产生有效的损伤轨迹，如图3所示。可以使用如图3所示的示例性图案(315、320、325)的全部，以及本领域技术人员所理解的其它变型。损伤点的规则图案具有明确定义的空间频率，在峰之间具有低损耗。损伤点之间的间隔的适当选择可以导致更低的波导传播损耗。这种布置也可以用于以下描述的混合波导的制造中。
图3中的衬底可以是z切割化学计量周期极化钽酸锂。
在图4中示意性地示出了示例性混合波导的截面。在第一步骤中，可以使用fs激光器在例如SLT衬底(405)的表面以下15-50μm的深度处产生损伤轨迹的阵列。轨迹总体等同于100-300μm或更宽的受损材料平面(410)。轨迹可以规则地或非规则地间隔开。在一些实施例中，轨迹被彼此靠近地放置，具有与轨迹尺寸相当的间隔。可替换地，可以按照1-10个或更多个轨迹为一组来布置轨迹，在相邻组之间具有更大的间隔(与组的尺寸相当)。这对于进一步抑制更高阶模的传播是有利的。
在第二步骤中，fs激光处理可用于从顶部表面去除5-20μm的材料，以留下高5-20μm且宽20-50μm的长脊(415)。烧蚀区(420)可以从脊在两侧延伸50-100μm或更远。然后整个结构可以用SiO2(425)外覆。可选地，可以进行附加的退火和/或等离子体蚀刻步骤以改善波导性能。在一些实施例中，在第二步骤中可以在经激光处理的表面上实现<100nm rms的粗糙度。在一些实施方案中，可以最小化或避免经处理的表面的化学还原。也可以在激光处理期间最小化或避免SLT衬底的非晶化。另外，在第二步骤期间，表面环境控制可以用于去除碎屑、改善粗糙度、控制温度和化学组成。这种控制可以通过氧气、臭氧、氮气、空气或其它气体的一个或多个射流来实现。
波导模式位于未受损的衬底材料中，如在图4中被示意性地以虚线(430)示出。为了简单起见，在图4中绘制了椭圆线，而实际的模式呈现出更复杂的轮廓。
可替换地，可以通过如下操作来制造混合波导，首先使用与以上段落中所述的工艺相同的工艺产生受损材料的平面。在第二步骤中，可以使用等离子体蚀刻而不是激光烧蚀来制造脊结构。
为了获得最佳的波导性能，可以分别针对两个步骤在以下各项中仔细地优化fs激光器处理参数：扫描速度、重叠、通过次数、脉冲长度、重复率、波长、偏振、聚焦条件，以及其它。
相比于脊波导，掩埋式波导的制造工艺可以被简化，因为消除了接合和研磨步骤。
如本领域技术人员将理解的，用于上述的烧蚀和损伤轨迹形成两者的fs激光处理步骤可以可替换地使用数皮秒脉冲、以及甚至更长的达数纳秒的脉冲，并且仍然实现所要求的波导性能。例如，在UV光谱范围中(例如，在约355nm处)的亚纳秒脉冲的使用可以允许实现低损伤/烧蚀处理阈值。
可以在化学计量(或近化学计量)钽酸锂衬底上构造如本公开中所描述的脊波导、掩埋式波导和混合波导设计。应当理解，这样的波导可以在其它非线性衬底(例如，全等钽酸锂、铌酸锂、KTP、BBO、LBO、BiBO等)上构造。还应当理解，这样的波导可以在其它晶体、非晶体或陶瓷、掺杂或未掺杂的衬底(Nd：YAG、玻璃等)上构造。
图1描述了本公开中所描述的脊波导，掩埋式波导和混合波导设计的示例性过程。例如，研磨、接合和fs激光加工可以被用于制造波导。
在制造之前或制造期间，可以利用诸如清洁或氧化射流的各种方法清洁器件的表面。例如，氧化射流可以是反应性气体的射流，其通过与表面污染物和/或碎屑的化学反应来清洁衬底的表面。
根据本公开的方法和设计制造的波导可以用于制造激光系统。激光系统可以包括基于红外二极管条的激光器以及激光制造的波导。波导可以用于红外激光到可见光波长的频率转换。与等离子体蚀刻的波导相比，这种激光器制造的波导可以提供更好的性能和更低的生产成本。激光系统还可以包括波长组合器，例如波导光栅(诸如阵列波导光栅)。
如本领域技术人员所理解的，二极管条是二极管阵列。
如本领域技术人员所理解的，阵列波导光栅可以被用作波分复用系统中的光学复用器。阵列波导光栅将多个波长复用到单个光学波导中，从而增加光学通道的传输容量。
阵列波导光栅基于光学的基本原理：不同波长的光波彼此线性干涉。例如，如果二极管条中的每个二极管发射具有略微不同波长的光，则来自这些通道中的大数量的通道的光可以由单个光学波导(通道)运载，在通道之间有可忽略的串扰。
在一些实施例中，本公开的波导的几何形状被配置为支持单模(或近单模)操作。对于波导性能而优化处理参数(包括但不限于fs激光处理参数)。在以下参数中优化fs激光处理参数：扫描速度、重叠、通过次数、脉冲长度、重复率、波长、偏振、聚焦条件，以及其它。
在一些实施例中，取决于加工激光器的波长，衬底可以对于制造步骤中的一些或全部是透明的或吸收的。例如，可能是有利的使用更短的波长，例如获得混合波导中的脊的更平滑的表面(与诸如损伤轨迹形成的其他工艺步骤相比)。
在一些实施例中，衬底不需要是透明的。例如，对于脊波导，衬底不需要对于加工激光是透明的。在其他实施例中，衬底可能需要是透明的。例如，对于脊波导，可以利用从一侧(例如，背侧)通过衬底照射的激光在另一侧(例如，前侧)创建脊。在另一个示例中，对于混合波导，可以使用相同的激光器从衬底的背侧创建脊和损伤轨迹。该方法可以允许将衬底一次性地安装到固定装置，从而改善设计公差。
在若干实施例中，可能期望平滑的脊表面。然而，脊表面可能由于制造工艺是粗糙的。为了改善平滑性(以及所期望的平面性特性)，可以对要被激光加工的材料的表面进行预处理或后处理。例如，预处理可以包括金属化步骤，或利用化合物的涂覆步骤。预处理可以提供加工激光的局部吸收(将能量集中到顶部表面)。
后处理可以包括用于更平滑(或更均匀)表面的化学蚀刻。蚀刻可以包括例如使用HF(氢氟酸)、硝酸(HNO3)、氟化铵(NH4F)和/或氢氧化钾(KOH)、乙二胺、四甲基氢氧化铵(TMAH)。等离子体蚀刻(例如氯或氟)也可用于使表面平滑。例如，碳氟化合物(CF4)可用于使脊平滑。
在本公开中引用了若干参考文献，所有所述参考文献的公开内容通过引用整体并入本文。
已经描述了本公开的许多实施例。然而，应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。
以上阐述的示例作为如何做出和使用本公开的实施例的完整公开和描述被提供给本领域的普通技术人员，而不意在限制发明人视为他们公开的范围。
对于本领域技术人员明显的用于执行本文所公开的方法和系统的上述模式的修改意在于以下权利要求的范围内。说明书中提到的所有专利和出版物指示本公开所属领域的技术人员的技术水平。本公开中引用的所有参考文献通过引用被并入，其程度与就好像每个参考文献单独地通过引用整体并入的程度相同。
应当理解，本公开不限于特定的方法或系统，其当然可以变化。还应当理解，本文所使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不意在限制。在被用于本说明书和所附权利要求中时，单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数的提及物，除非内容另有清楚指示。术语“多个”包括两个或更多个提及物，除非内容另有清楚指示。除非以另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员常规理解的含义相同的含义。

Claims (24)

1.一种波长转换非线性脊波导，包括：
非线性晶体衬底；
在所述非线性晶体衬底的顶部表面上的第一介电层；
在所述第一介电层的顶部表面上的波导层，所述波导层包括至少一个激光制造的脊区，所述至少一个激光制造的脊区被配置为允许形成光学模式，所述光学模式基本上由所述至少一个激光制造的脊区和所述第一介电层限界；以及
在所述波导层的顶部表面上的第二介电层。
2.根据权利要求1所述的波长转换非线性脊波导，其中所述非线性晶体衬底是全等钽酸锂。
3.根据权利要求1所述的波长转换非线性脊波导，其中所述第一介电层和所述第二介电层是硅氧化物。
4.根据权利要求1所述的波长转换非线性脊波导，其中所述波导层是钽酸锂。
5.根据权利要求1所述的波长转换非线性脊波导，其中所述至少一个脊区具有5到20微米之间的高度、20到50微米之间的宽度，并且所述脊区的顶部表面和第一绝缘层的顶部表面之间的距离在15到50微米之间。
6.一种波长转换非线性掩埋式波导，包括：
非线性晶体衬底；以及
在所述非线性晶体衬底中的多个激光制造的损伤轨迹，其中所述多个激光制造的损伤轨迹具有与所述非线性晶体衬底的未受损的晶体结构不同的晶体结构，所述多个激光制造的损伤轨迹被按照期望图案布置，所述期望图案被配置为允许在所述非线性晶体衬底的基本上由所述期望图案限界的区域内形成光学模式。
7.根据权利要求6所述的波长转换非线性掩埋式波导，其中所述多个激光制造的损伤轨迹在距所述非线性晶体衬底的顶部表面30到150微米之间的深度处。
8.根据权利要求6所述的波长转换非线性掩埋式波导，其中一个损伤点的宽度在2到10微米之间。
9.根据权利要求6所述的波长转换非线性掩埋式波导，其中所述期望图案大体上是圆的。
10.根据权利要求6所述的波长转换非线性掩埋式波导，其中所述期望图案包括沿着由波长转换非线性掩埋式波导传输的光波的传播方向的至少一行损伤轨迹。
11.一种波长转换非线性混合波导，包括：
非线性晶体衬底；
在所述非线性晶体衬底中的激光制造的损伤轨迹的层，其中所述激光制造的损伤轨迹具有与所述非线性晶体衬底的未受损的晶体结构不同的晶体结构；
在所述非线性晶体衬底的顶部表面上的至少一个激光制造的脊区，所述至少一个激光制造的脊区被配置为允许形成光学模式，所述光学模式基本上由所述至少一个激光制造的脊区和所述损伤轨迹的层限界；以及
在所述非线性晶体衬底的顶部表面上的介电层。
12.根据权利要求11所述的波长转换非线性混合波导，其中所述非线性晶体衬底是钽酸锂。
13.根据权利要求11所述的波长转换非线性混合波导，其中所述介电层是硅氧化物。
14.根据权利要求11所述的波长转换非线性混合波导，所述至少一个激光制造的脊区具有5到20微米之间的高度、20到50微米之间的宽度，并且所述脊区的顶部表面和所述激光制造的损伤轨迹的层的顶部表面之间的距离在15到50微米之间。
15.一种可见光激光源，包括：
红外激光光源；
波长组合器，被配置为接收来自所述红外激光光源的光；以及
波长转换非线性波导，被配置为接收来自所述波长组合器的光，所述波长转换非线性波导包括根据权利要求1所述的波长转换非线性脊波导、根据权利要求6所述的波长转换非线性掩埋式波导或根据权利要求11所述的波长转换非线性混合波导。
16.根据权利要求15所述的可见光激光源，其中红外光源是激光二极管条。
17.根据权利要求15所述的可见光激光源，其中所述波长组合器是阵列波导光栅。
18.根据权利要求15所述的可见光激光源，其中所述波长组合器和/或所述波长转换非线性波导向所述红外激光光源提供光学反馈。
19.一种用于制造根据权利要求1所述的波长转换非线性脊波导的方法，所述方法包括利用脉冲激光烧蚀在至少一个激光制造的脊区周围的所述非线性晶体衬底的区域。
20.一种用于制造根据权利要求6所述的波长转换非线性掩埋式波导的方法，所述方法包括利用脉冲激光损伤所述非线性晶体衬底的区域，从而获得所述多个激光制造的损伤轨迹。
21.一种用于制造根据权利要求11所述的波长转换非线性混合波导的方法，所述方法包括利用脉冲激光损伤所述非线性晶体衬底的区域，从而获得激光制造的损伤轨迹的层。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其中所述脉冲激光是飞秒激光。
23.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其中针对波导性能优化所述脉冲激光的扫描速度、重叠、通过次数、脉冲长度、重复率、波长、偏振或聚焦条件。
24.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，其中所述非线性晶体衬底对所述脉冲激光是透明的，从而允许从所述非线性晶体衬底的任一侧进行制造。
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