CN108345066A - 一种中红外氟氧玻璃陶瓷y型波导分束器及其制备方法 - Google Patents

一种中红外氟氧玻璃陶瓷y型波导分束器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成光路类型技术领域，公开了一种中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器及其制备方法，利用飞秒激光直写氟氧玻璃陶瓷贯穿的单线波导，通过分析并计算不同激光功率下直写的波导传输损耗，确定Y型分束器激光加工参数，测试了单线波导和Y型分束器的导光特性，实现了基质为氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备，摒弃了依靠经验的制作过程，实现了系统化、标准化的波导分束器直写。首次提出了利用超快激光制造氟氧玻璃陶瓷波导结构，证实了在中红外集成器件方面的应用，对中红外可调谐波导激光器和光通信器件具有很好的参考价值。本发明结构简单，稳定性高，传输损耗低，可以用于中红外可调谐波导激光器、光信号放大器、中红外光通信器件等。

Description

一种中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器及其制备方法
技术领域
本发明属于集成光路类型技术领域，尤其涉及一种中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器及其制备方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：集成光学器件主要包括，光开光、强度调制器、相位调制器等，而其中Y型分支波导结构是集成光学器件中重要的组成元素，可以应用到各类光学器件构造中，其可以利用于光纤陀螺制导系统实现运动体姿态控制、光纤通信路由选择系统实现光路选择作用、宽带光纤通信系统实现信号的载波调制等，典型的，其组成的Y型波导分束器由于集成度高、结构简单、低损耗、并且具有能抵御外界环境干扰等优点受到了各领域的关注。氟氧玻璃陶瓷是一种特殊的材料，其各种类型的摻杂离子氟氧化物玻璃陶瓷可以用于光学材料研究和光通信领域。氟氧玻璃陶瓷相比氧化物玻璃，氧化物玻璃声子能量远远大于氟氧玻璃声子能量，由此导致稀土粒子摻杂的氧化物玻璃的上转换发光效率远远低于氟氧玻璃摻杂，而氟氧化物玻璃陶瓷是由氟氧化物微晶镶嵌于氧化物玻璃基质中构成，具有以下两个优点，一是小尺寸的微晶和玻璃基质之间折射率近似匹配，这使得它们具有高度的透明性；二是摻杂的离子优先沉积于氟氧微晶中，因此可处于低声子能量环境中，同时兼顾了玻璃良好的耐久性和机械特性。氟氧化物在0.4—8μm红外波段具有高的透明度、低的折射率、高的阿贝数以及低的红外传输损耗。实验中选择基质材料为25KF-25ZnF2-50SiO2可以作为中红外光学振荡器高效的泵浦源和中红外可调谐波导激光器的良好基质材料。目前为止，针对于飞秒激光加工波导分束器已经在不同材料中有所报告，如钛宝石、铌酸锂、Nd：YAG晶体等。钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法公布了在钛宝石晶体内重复写入多条踪迹组成Y型分支形包层结构；利用飞秒激光在LiNbO3晶体直写了三维分束器；在Nd：YAG晶体内刻写了Y型圆型凹陷包层波导。由于基质材料在长波方向具有较低的红外光谱截止波长，并且在中红外波段具有声子吸收从而产生较大的能量损耗，所以这些技术制备的器件都未能实现中红外波段应用。而氟氧玻璃具有较低的声子能量，并且在中红外波导具有高的透明度、高的阿贝尔数、低的红外传播损耗，可以有效的担任中红外集成器件的基质材料。并且针对于如何确定Y型分束器加工参数都是根据经验，没有一个标准的、系统的方法确定。迄今为止关于氟氧玻璃陶瓷波导制备主要包括气相沉积法、离子注入法等。氟氧玻璃陶瓷首次实现波导结构是利用物理气相沉积法制备的，然而这种光波导制作过程较为复杂，对过程中温度、材料的配比都有很严苛的要求，极大的限制了其光波导方向的应用。离子注入法是利用高速粒子注入基质材料破坏原有晶体结构，产生折射率变化，然而这种方式对离子纯度、退火工艺都有较高的要求，并且波导截面也很难实现圆对称分布。目前为止尚未出现将飞秒激光直写技术利用于氟氧玻璃陶瓷光波导制备中，而飞秒激光加工氟氧玻璃陶瓷具有制作设备简单、立体加工、参数可控等特点，可以有效的解决上述方法。但是目前利用超短脉冲激光制备集成光路器件一直尚未被标准化、系统化的确定，针对于飞秒激光直写集成器件只能依靠经验确定，并且相应的在氟氧玻璃陶瓷中刻写Y型波导分束器也一直尚未被报道。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有制备的器件都未能应用于中红外波段，并且针对于如何确定Y型分束器加工参数都是根据经验，没有一个系统的方法确定。
(2)光波导制作过程较为复杂，对过程中温度、材料的配比都有很严苛的要求，极大的限制光波导方向的应用。
(3)利用激光直写分束器制备方法一直尚未被系统化，并且氟氧中红外集成器件也一直尚未被开发，相应的在氟氧玻璃陶瓷中刻写Y型波导分束器也一直尚未被报道。
解决上述技术问题的难度和意义：
首次提出利用超快激光在以氟氧玻璃陶瓷作为基质的条件下直写集成器件Y型波导分束器，从而避免了目前技术带来的加工工艺复杂、实验要求严苛、价格昂贵、加工效果不可控等缺点。许多的化合物和有机分子在中红外波段都存在较强的吸收峰，同时伴随着高的声子能量，这使得中红外波段在材料内被强烈的损耗，氟氧玻璃陶瓷在中红外波段存在较强的透过率，并且具有较低的声子能量，可以有效的解决上述问题。利用飞秒激光加工集成器件，由于其微型的几何尺寸和加工参数变化多样等特点，这使得目前飞秒激光加工只能依靠操作者的经验确定，主观判断占有决定因素，目前相应的直写方法尚未被标准化、系统化。本发明提出了系统化的集成器件直写方法，通过完善加工方式，利用自建的损耗测试系统对贯穿波导进行测试，可以有效的避免人为误差，为集成器件直写提供一种准确的方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器及其制备方法。
本发明是这样实现的，一种中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，所述中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法选取中红外材料25KF-25ZnF2-50SiO2+0.5NiO玻璃陶瓷作为基质，利用钛宝石飞秒放大器直写I类波导，制作中红外波段Y型分束器件；利用飞秒脉冲在氟氧玻璃陶瓷体内直写贯穿的单线波导，通过自建的损耗测试系统，测量波导传输损耗，确定最低的传输损耗激光加工参数，利用参数在样品内刻写出了Y型分束器，实现中红外波段的集成器件制备。
进一步，所述中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，氟氧玻璃陶瓷切割与表面处理；将氟氧玻璃陶瓷切割成六面立方体结构，将各面抛光，将抛光后的样品利用超声清洗机在乙醇溶液中超声清洗，最后风干取出；
步骤二，氟氧玻璃陶瓷固定与位置矫正；将风干后的样品与六维电动平移台固定，设定CCD视场，并且调整样品的位置，使得样品边界与CCD视场中临界平行；
步骤三，设定激光直写参数；采用控制变量法逐一对激光单脉冲能量、脉冲扫描速率进行改变；通过衰减片控制单脉冲能量，LABVIEW程序控制脉冲扫描速率；
步骤四，直写单线波导；
步骤五，波导损耗测试与计算；
步骤六，Y型波导分束器直写；在对应的最低单线波导传播损耗激光加工参数下，直写Y型分束结构，实现Y型分束器的刻写；
步骤七，对刻写出的分束器损耗进行测试。
进一步，所述氟氧玻璃陶瓷切割尺寸为4×4×2mm3,抛光精度为光学精度，超声清洗使用纯度大于95％的乙醇溶液，超声时间为30min，风干时间为15min。
进一步，所述CCD的视场调整为20显微倍物镜下。
进一步，所述单脉冲能量在0到3μJ之间连续变化，改变步进为0.2μJ，脉冲扫描速率在50到200μm/s变化，步进为10μm/s。
进一步，所述将平移台横向扫描距离设置为4500μm。
进一步，所述氟氧玻璃陶瓷折射率n1为1.47，空气折射率n2为1，光纤模式半径为7.5μm。
进一步，所述分束器入射直线波导长度为0.5mm，波导分束部分纵向长度为3mm，出射直线波导长度为0.5mm。
进一步，所述Y型分束器分束角为2°，两分束输出端横截面间距分别为104μm。
本发明的另一目的在于提供一种由所述中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法制备的Y型波导分束器。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：利用飞秒激光在25KF-25ZnF2-50SiO2氟氧玻璃陶瓷中直写Y型分束器，分束部分纵向长度3mm，分束角度为2°，输出端横向距离达到104μm,实现大角度分束的中红外波段(截至长波达到3.5μm处)集成器件的制备。首次提出利用飞秒激光在氟氧玻璃中直写波导，有效的避免了气相沉积法、离子注入法等现有工艺带来的加工工艺复杂、实验要求严苛、价格昂贵、加工效果不可控等缺点，激光直写对比具有加工周期短、加工成本低、可控性高、可以实现复杂结构等优点，对飞秒激光的整形可以实现波导截面的类圆对称分布，实现更好的光场模式。通过系统化的改变激光加工参数刻写单线波导来寻找最低的传播损耗，并且在相应的加工条件下，刻写Y型波导分束器，从而弥补了现有加工工艺对加工经验的依赖性，标准化、系统化的实现了集成器件的加工。该技术方法对集成器件直写提出了一种更加准确的实现方案，标准化、系统化的实现了集成器件的加工，利用超快激光直写技术，同时为氟氧玻璃陶瓷波导器件的制备提供了一种高效的手段，这对相应的中红外集成光通信器件有着很好的参考价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法流程图。
图2是本发明实施例提供的制备玻璃陶瓷波导分束器的三维结构示意图。
图3是本发明实施例提供的制备玻璃陶瓷波导分束器的加工示意图。
图4是本发明实施例提供的制备玻璃陶瓷单线波导的损耗测试示意图。
图5是本发明实施例提供的玻璃陶瓷波导分束器的近场模式分布图。
图6是本发明实施例提供的玻璃陶瓷Y型分束器的仿真实验图。
图中：1、飞秒钛宝石放大器；2、中性功率衰减片；3、圆柱透镜对；4、狭缝；5、显微物镜；6、氟氧玻璃陶瓷；7、六维电动平移台；8、显微物镜；9、分光镜；10、照明光源；11、CCD；12、单模光纤准直头；13、聚焦透镜组；14、显微物镜；15、CCD。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
Y型分束器是重要的光通信器件，也是作为无源和有源器件的基本组成单元，Y型分束结构可以有效的实现对不同波段的光源分束和合束，在小尺寸中实现信号的传递，具有极低的能量损耗。利用飞秒激光直写氟氧玻璃陶瓷是实现制作集成器件的高效手段，与其他方式相比，如机械加工、离子束注入、激光脉冲沉积等，可以实现突破衍射极限的加工精度、无热效应产生的“冷”加工、更加灵活的三维加工等，同时可以根据不同的加工材料选择不同的激光参数，实现对不同功能特性的集成器件加工。
如图1所示，本发明实施例提供的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法包括以下步骤：
S101：氟氧玻璃陶瓷切割与表面处理；将氟氧玻璃陶瓷切割成六面立方体结构，并将各面抛光，将抛光后的样品利用超声清洗机在乙醇溶液中超声清洗，最后风干取出；
S102：氟氧玻璃陶瓷固定与位置矫正；将风干后的样品与六维电动平移台固定，设定CCD视场，并且调整样品的位置，使得样品边界与CCD视场中临界平行；
S103：设定激光直写参数；采用控制变量法逐一对激光单脉冲能量、脉冲扫描速率进行改变。通过衰减片控制单脉冲能量，LABVIEW程序控制脉冲扫描速率；
S104：利用飞秒激光在样品内直写光波导，为了能准确的测量波导损耗，需保证单线波导连贯刻写；
S105：采用自建的波导测试系统对贯穿波导的损耗进行测试，并计算，波导总损耗包括为传输损耗、菲涅尔损耗、耦合损耗；
S106：Y型波导分束器直写；在对应的最低单线波导传播损耗激光加工参数下，直写Y型分束结构，实现Y型分束器的刻写；
S107：对上述刻写出的分束器损耗进行测试。
如图2所示，从飞秒钛宝石放大器1出来的超短脉冲依次通过中性功率衰减片2、圆柱透镜对3、狭缝4、显微物镜5实现对光束的整形和聚焦，从显微物镜5出来的脉冲聚焦于固定于六维电动平移台7上的基质氟氧玻璃陶瓷6上，实现波导的直写，利用CCD11依次通过分光镜9、显微物镜8观察波导直写过程，动态的监控加工方案。从单模光纤准直头12出来的单模激光通过聚焦透镜组13聚焦后，耦合入基质氟氧玻璃陶瓷6中，利用CCD15通过显微物镜14观察基质氟氧玻璃陶瓷6出射端的近场模式。
在本发明的优选实施例中：氟氧玻璃陶瓷切割尺寸为4×4×2mm3，抛光精度为光学精度，超声清洗使用纯度大于95％的乙醇溶液，超声时间为30min，风干时间为15min；CCD的视场调整为20显微倍物镜下。单脉冲能量在0到3μJ之间连续变化，改变步进为0.2μJ，脉冲扫描速率在50到200μm/s变化，步进为10μm/s。为了保证实现贯穿波导刻写，将平移台横向扫描距离设置为4500μm。为了计算单线波导传输损耗，菲涅尔损耗和耦合损耗被计算，其中氟氧玻璃陶瓷折射率n1为1.47，空气折射率n2为1，光纤模式半径为7.5μm。分束器入射直线波导长度为0.5mm，波导分束部分纵向长度为3mm，出射直线波导长度为0.5mm。Y型分束器分束角为2°，两分束输出端横截面间距分别为104μm。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
在图2所示中，为本发明利用飞秒激光加工的Y型波导分束器结构示意图，左上方图为分束器的俯视图，左下方图为分束器的横截面图，飞秒激光经过圆柱透镜和狭缝整形后具有类椭圆的横截面，利用不同单脉冲能量的激光刻写波导，进一步的，结合图3到图5对本发明的实施方案做进一步的描述，其中包括以下步骤：
步骤一：氟氧玻璃陶瓷切割，将玻璃陶瓷样品切割成尺寸为4×4×2mm3的立方体结构，并将其六面都进行抛光，抛光精度为光学精度。
步骤二：氟氧玻璃陶瓷表面处理，将加工后的氟氧玻璃陶瓷使用纯度大于95％的乙醇溶液进行超声清洗，随后取出风干，保证各个抛光面的光洁，在超声清洗过程中注意防止由于样品与超声清洗机磕碰而损坏样品。
步骤三：氟氧玻璃陶瓷固定，利用擦镜纸将清理后的样品固定到六维平移台7(PI)上，并且保证4×4mm2的加工面垂直于激光传播方向，打开照明灯10，将显微镜(奥林巴斯BX51TF)显微物镜8调整为10倍下的显微物镜，通过显微目镜观察观测到样品，保证样品出现在电荷耦合器件11(CCD)视场中，将显微物镜切换为20倍条件下，并且设置CCD11视场为20倍，接着调整六维平移台7，左右上下旋转角调整都要使得样品的边界与CCD视场的临界平行。
步骤四：刻写设置，通过旋转六维电动平移台7和钛宝石放大器3(phidia-100-SP)之间的衰减片2可使所需加工的能量在0和3μJ之间连续变化；电动平移台7设置扫描速度，波导直写深度设置为距离加工表面110μm，I型单线波导被作为刻写方式，平移台7横向扫描距离设置为4500μm，可以实现波导一次性刻写。扫描速率设定范围在50到200μm/s之间，步进为10μm/s，直写过程中使用20倍的显微物镜5，数值孔径为0.42。
步骤五：激光直写，显微物镜5将经过衰减片2后的激光聚焦到样品6内部约110μm处，通过驱动程序(LABVIEW)精确控制平移台7在垂直于激光聚焦的横向方向沿临边平行移动，通过调节衰减片使得单脉冲能量由小至大逐步增加，步进为0.2μJ，直到单脉冲能量增加到3μJ，每增加一次直写一次单线波导。通过CCD11将刻写完成的波导记录下来。在本发明实施中，飞秒激光钛宝石放大器1输出的脉冲宽度140fs，重复频率从50KHz到150KHz可调谐。
步骤六：波导定位，利用白光光源依次经过聚焦透镜组13、玻璃陶瓷6、显微物镜14、CCD15(MANTAG-125)找到刻写波导位置，从CCD15上可以观察到波导的横截面，并记录相应的近场端面图，具体定位方法如下：
将刻写完波导的样品6固定在六维平移台上，通过六维平移台微调样品位置，使得CCD15可以观察到刻写波导横截面的位置，保证光源经过聚焦系统聚焦后能入射波导截面，将波导的入射截面和出射横截面放置于聚焦透镜组13和显微物镜14的焦距处，CCD15位于显微物镜14后约8cm处。通过白光光源找到波导的入射横截面，再使用从单模光纤准直器12输出的1030nm激光聚焦耦合到波导中，通过微调六维平移台在CCD上观察光场模式分布，如图4所示。
步骤七：损耗计算，如图4所示装置示意图，在CCD15观测到波导输出模式基础上，将微瓦探头PD300-IR放于聚焦透镜组13和样品6、显微物镜14和CCD15之间，并记录功率为P0、P1，通过公式RP＝(R-2*RF-RC)/l，其中l为传输距离4mm，计算出不同激光脉冲条件下对应波导传输损耗值。
步骤八：直写Y型分束结构，在完成上面的单线损耗测试条件下，将LABVIEW控制程序调整为直写Y型分束结构，将加工参数设置为上面最低损耗传输参数，在同样距离样品加工表面约为110μm处直写Y型分束器，直写Y型分束器，入射直线波导长度为0.5mm，波导分束部分纵向长度为3mm，出射直线波导长度为0.5mm。
步骤九：Y型分束器损耗测试，如图4所示，将刻写的Y型分束器样品6放置于显微物镜14之前，试验同单线损耗测试装置，测试Y型分束器损耗。
如图5所示为刻写完成的2°的Y型分束器近场分布模式，从实验证实了Y型分束器具有良好的传播模式。
如图6所示为2°的Y型分束器仿真实验图，为验证设计的大角度Y型波导分束器导光特性，仿真了如图6所示的光束传播截面图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法选取中红外材料25KF-25ZnF2-50SiO2+0.5NiO玻璃陶瓷作为基质，利用钛宝石飞秒放大器直写I类波导，制作中红外波段Y型分束器件；利用飞秒脉冲在氟氧玻璃陶瓷体内直写贯穿的单线波导，通过自建的损耗测试系统，测量波导传输损耗，确定最低的传输损耗激光加工参数，利用参数在样品内刻写出了Y型分束器，实现中红外波段的集成器件制备。
2.如权利要求1所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法具体包括以下步骤：
步骤一，氟氧玻璃陶瓷切割与表面处理；将氟氧玻璃陶瓷切割成六面立方体结构，将各面抛光，将抛光后的样品利用超声清洗机在乙醇溶液中超声清洗，最后风干取出；
步骤二，氟氧玻璃陶瓷固定与位置矫正；将风干后的样品与六维电动平移台固定，设定CCD视场，并且调整样品的位置，使得样品边界与CCD视场中临界平行；
步骤三，设定激光直写参数；采用控制变量法逐一对激光单脉冲能量、脉冲扫描速率进行改变；通过衰减片控制单脉冲能量，LABVIEW程序控制脉冲扫描速率；
步骤四，直写单线波导；
步骤五，波导损耗测试与计算；
步骤六，Y型波导分束器直写；在对应的最低单线波导传播损耗激光加工参数下，直写Y型分束结构，实现Y型分束器的刻写；
步骤七，对刻写出的分束器损耗进行测试。
3.如权利要求2所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述氟氧玻璃陶瓷切割尺寸为4×4×2mm3,抛光精度为光学精度，超声清洗使用纯度大于95％的乙醇溶液，超声时间为30min，风干时间为15min。
4.如权利要求2所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述CCD的视场调整为20显微倍物镜下。
5.如权利要求2所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述单脉冲能量在0到3μJ之间连续变化，改变步进为0.2μJ，脉冲扫描速率在50到200μm/s变化，步进为10μm/s。
6.如权利要求2所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述将平移台横向扫描距离设置为4500μm。
7.如权利要求2所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述氟氧玻璃陶瓷折射率n1为1.47，空气折射率n2为1，光纤模式半径为7.5μm。
8.如权利要求2所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述分束器入射直线波导长度为0.5mm，波导分束部分纵向长度为3mm，出射直线波导长度为0.5mm。
9.如权利要求2所述的中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法，其特征在于，所述Y型分束器分束角为2°，两分束输出端横截面间距分别为104μm。
10.一种由权利要求1所述中红外氟氧玻璃陶瓷Y型波导分束器的制备方法制备的Y型波导分束器。
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