CN108387973A - 减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法 - Google Patents

Abstract

一种减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法，本方法的核心包括两个方案：1、在弯曲波导外侧，激光直写并辅助化学刻蚀，刻蚀出空气槽；2、在弯曲波导两侧，激光直写多层产生应力的破坏线。本发明能增加弯曲波导有效折射率，从而减少导波的辐射模，大大降低弯曲损耗，有效减小器件中弯曲波导的弯曲半径，使波导器件结构更加紧凑，对微纳光学中三维光器件集成化、芯片化和光互联等领域具有重要意义。

Description

减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法

技术领域

本发明涉及飞秒激光直写弯曲波导，特别是一种减小直写波导弯曲损耗的方法。

背景技术

飞秒激光以其加工精度高、热效应小、损伤阈值低和可以对透明材料实现三维微加工等优点在当代微纳制造领域中独树一帜，它提供了一种全新的制备大规模、复杂三维微结构的方法。

光波导作为集成光学中最基本的组成单元，不仅可以实现数据传送，还可以提供非线性，主动增益等特殊功能，是实现各种光子功能器件的基础。飞秒光刻波导是近年来新兴的一种光波导制作技术，相对于传统的波导制作工艺，它具有工艺设备简单，成本低等特点，而且可以灵活制作三维结构的光子器件，在制作高密度集成的复杂光器件方面展现了巨大的应用价值。

在集成光学中，由于光波导中光束传播方向的改变和光束传输轴移位的需要，光波导的弯曲是必然的。在一定条件下,波导弯曲半径越小,器件结构越紧凑；但弯曲半径越小,波导弯曲引起的损耗会越大。波导发生弯曲引起的损耗主要有耦合损耗和辐射损耗，由于辐射引起的损耗也称为弯曲损耗。飞秒激光直写波导弯曲损耗受弯曲半径影响很大。一般飞秒激光直写波导文献中使用作为耦合器的弯曲半径采用 40mm，单臂损耗达到0.1dB，而且随着弯曲半径的减小弯曲损耗快速增加。当弯曲半径R＝10mm时，对于1310光源，单臂损耗达到8dB(参见文献：S.M.Eaton,W. Chen,L.Zhang,H.Zhang,R.Iyer,J.S.Aitchison,and P.R.Herman,IEEE Photonics Technol.Lett.,vol.18,no.22,pp.2174–2176,Sep./Oct.2006)。这种特点大大限制了飞秒直写技术诱导产生的光波导构建微纳光学器件(如分束器、定向耦合器等)的集成度。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法，该方法操作简单、有效，而且能够在透明材料内部或者表面根据需求灵活制作减小弯曲损耗的微结构，利用这种方法加工的弯曲波导具有弯曲半径小、损耗低的特点，在构建微纳光学器件、实现光器件芯片化等领域有重要的应用价值。

本发明的技术解决方案如下：

一种减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

步骤1)用飞秒激光在玻璃样品中直写出波导，该波导的弯曲半径在10～40mm 范围内；

步骤2)在所述的波导两侧用飞秒激光直写破坏线，具体包括下列步骤：

①设弯曲波导的圆心角θ，第一层破坏线和波导的距离是t₁,各破坏线的间距是t₂,破坏线层与层的间距是t₃，破坏线的层数是n，

②直写破坏线的激光焦点深度在波导的下方，以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导外侧激光直写破坏线，且该破坏线与波导平行，与波导的间距为t₁,半径为r₁,然后激光焦点上升t₂,以波导曲率中心为圆心，半径r₁直写第二根破坏线，重复以上过程，完成第一层破坏线的堆叠，要使堆叠的破坏线均匀，纵向长度能限制住波导导光；

③以同样的方法，直写第n层破坏线，其半径是r₁+(n-1)*t₃，破坏线的层数以需求确定；

④以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导内侧激光直写破坏线，且该破坏线与波导平行，与波导的间距为t₁,半径为r₂；以同样的方法堆叠n层破坏线，其半径是r₂-(n-1)*t₃，破坏线的层数根据需求确定。

一种减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

步骤1)用飞秒激光在玻璃样品中直写出波导，该波导的弯曲半径在10mm以下；

步骤2)在弯曲波导附近用激光直写并辅助化学刻蚀出空气槽，具体包括下列步骤：

①设弯曲波导的圆心角θ，在该弯曲半径条件下，用RSoft软件模拟不同参数的弯曲损耗值，优化出使弯曲损耗最小的合理的参数，即该空气槽与波导的间距s、空气槽的槽宽l和槽深d；

②以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导外侧逐层激光直写空气槽的第一个圆弧形侧壁，且该侧壁与波导平行，与波导的间距为s,半径为r₁，侧壁直写到样品表面，即槽深d；

③以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导外侧逐层激光直写空气槽的第二个圆弧形侧壁，该侧壁的圆弧半径为r₂，且r₂＝r₁+l，直写到样品表面；以所述的波导曲率中心为圆心，半径在r₁、r₂之间变化，直写空气槽的下底。

④由第一侧壁的起始位置至第二侧壁的起始位置逐层进行激光直写，由第一侧壁的终点位置至第二侧壁的终点位置逐层进行激光直写，都直写到样品表面为止，完成剩下两个侧壁的直写；

⑤将直写之后的样品放在化学腐蚀试剂中进行超声腐蚀，形成槽宽l，槽深d的空气槽。

所述的化学腐蚀试剂为氢氟酸或氢氧化钾。

本发明的技术效果如下：

1、加工用的材料不同，加工波导、刻槽、直写破坏线的参数不同，实施例是用 1kHz飞秒激光器在石英玻璃中加工弯曲波导。如果是其他类型飞秒激光器加工，也能应用该方法。该方法，能一步成型，具有广泛适用性。

2、图3是在弯曲半径15mm，圆心角5°的弯曲波导两侧加破坏线，弯曲损耗随层数增加的变化值。采用780nm激光光源耦合，分别测试水平偏振、垂直偏振两种偏振光的弯曲损耗值。如图所示，加了1层、3层破坏线后，弯曲损耗明显下降。

附图说明

图1是平面示意图，其中(a)是破坏线方案平面图，(b)是空气槽方案平面图。

图2是两种实施方案立体图，O-xyz空间直角坐标系,1-波导，2-空气槽，3-破坏线

图3a是采用780nm光源耦合，分别测试水平偏振、垂直偏振两种偏振光的弯曲损耗图，其中，0-没有加破坏线，1，3-加1层，3层破坏线。

图3b是平面示意图，s1和s2是两段直波导，弯曲半径是15mm，圆心角5°的弯曲波导与s1和s2相切。

具体实施方式

下面结合实施实例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图中1-波导2-空气槽3-破坏线，

下面是本发明在波导两侧直写多层破坏线的实施例，包括如下步骤：

1)使用中心波长800nm，重复频率1kHz，脉宽50fs的飞秒激光器，物镜 (MPlanFLN50x,Olympus，NA＝0.8)。激光进入物镜之前，用空间光调制器把光斑调制成狭缝光场，加工平台速度30μm/s,在石英玻璃表面下50μm处，激光直写出图2-1示圆形截面波导，波导弯曲半径R＝15mm；

2)波导与破坏线的间距t₁，激光焦点从弯曲波导处沿着半径方向，如图2中x 方向，位移t₁＝11μm，沿着–z方向下降10μm，不调制光场，圆形光斑进入物镜，以弯曲波导的曲率中心为圆心，半径r＝R+t₁，激光功率0.35mw，直写破坏线。完成后，回到起始处，焦点沿着z方向上升t₂＝3μm，直写圆弧形破坏线。重复5 次，堆叠z方向长度约20μm的破坏线。

3)位移t₁＝14μm，重复上述步骤，以相同的功率，直写出第二层这样的破坏线，之后t₁＝17μm，同样的方法直第3层破坏线。

4)在弯曲波导的内侧即图2中-x方向，位移t₁＝-11μm，-14μm，-17μm，直写3层破坏线。如图1(a)-3示，弯曲波导两侧均堆叠破坏线。

下面是本发明的直写空气槽的实施例，包括如下步骤：

1)使用中心波长800nm，重复频率1kHz，脉宽50fs的飞秒激光器，物镜 (MPlanFLN50x,Olympus，NA＝0.8)。激光进入物镜之前，用空间光调制器把光斑调制成狭缝光场，加工平台速度30μm/s,在石英玻璃表面下50μm处，激光直写出图1(b)-1所示的圆形截面波导，波导弯曲处弯曲半径R＝10mm。

2)波导与空气槽的间距t₁，激光焦点从弯曲波导处沿着半径方向，如图2中x 方向，位移t₁＝20μm，沿着–z方向下降50μm，不调制光场，圆形光斑进入物镜，以弯曲波导的曲率中心为圆心，半径r＝R+t₁，激光功率0.4mw，直写破坏线。完成后，回到直写起始处，焦点沿着z方向上升t₂＝8μm，同样功率，半径，直写圆弧形破坏线。重复上述过程，直到样品的表面，完成空气槽的第一个侧壁的直写。

3)从直写第一个侧壁的起点处x方向位移l＝45μm，以同样的激光功率，直写方法，直写空气槽的第二个圆弧形侧壁。采用相同的功率，直写空气槽的下底和剩余的两个侧壁，得到槽宽l＝45μm，槽深d＝100μm的空气槽轮廓；

4)把样品放到浓度5％的氢氟酸溶液中，超声腐蚀1.5小时左右，得到如图1 (b)-2的槽结构，取出样品，用大量去离子水冲洗残留在样品表面的氢氟酸溶液，在通风橱中晾干。

Claims (3)

1.一种减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

步骤1)用飞秒激光在玻璃样品中直写出波导，该波导的弯曲半径在10～40mm范围内；

步骤2)在所述的波导两侧用飞秒激光直写破坏线，具体包括下列步骤：

①设弯曲波导的圆心角θ，第一层破坏线和波导的距离是t₁,各破坏线的间距是t₂,破坏线层与层的间距是t₃，破坏线的层数是n，

②直写破坏线的激光焦点深度在波导的下方，以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导外侧激光直写破坏线，且该破坏线与波导平行，与波导的间距为t₁,半径为r₁,然后激光焦点上升t₂,以波导曲率中心为圆心，半径r₁直写第二根破坏线，重复以上过程，完成第一层破坏线的堆叠，要使堆叠的破坏线均匀，纵向长度能限制住波导导光；

③以同样的方法，直写第n层破坏线，其半径是r₁+(n-1)*t₃，破坏线的层数以需求确定；

④以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导内侧激光直写破坏线，且该破坏线与波导平行，与波导的间距为t₁,半径为r₂；以同样的方法堆叠n层破坏线，其半径是r₂-(n-1)*t₃，破坏线的层数根据需求确定。

2.一种减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

步骤1)用飞秒激光在玻璃样品中直写出波导，该波导的弯曲半径在10mm以下；

步骤2)在弯曲波导附近用激光直写并辅助化学刻蚀出空气槽，具体包括下列步骤：

①设弯曲波导的圆心角θ，在该弯曲半径条件下，用RSoft软件模拟不同参数的弯曲损耗值，优化出使弯曲损耗最小的合理的参数，即该空气槽与波导的间距s、空气槽的槽宽l和槽深d；

②以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导外侧逐层激光直写空气槽的第一个圆弧形侧壁，且该侧壁与波导平行，与波导的间距为s,半径为r₁，侧壁直写到样品表面，即槽深d；

③以所述的波导曲率中心为圆心，在该波导外侧逐层激光直写空气槽的第二个圆弧形侧壁，该侧壁的圆弧半径为r₂，且r₂＝r₁+l，直写到样品表面；以所述的波导曲率中心为圆心，半径在r₁、r₂之间变化，直写空气槽的下底。

④由第一侧壁的起始位置至第二侧壁的起始位置逐层进行激光直写，由第一侧壁的终点位置至第二侧壁的终点位置逐层进行激光直写，都直写到样品表面为止，完成剩下两个侧壁的直写；

⑤将直写之后的样品放在化学腐蚀试剂中进行超声腐蚀，形成槽宽l，槽深d的空气槽。

3.根据权利要求2所述的减小飞秒激光直写波导弯曲损耗的方法，其特征在于所述的化学腐蚀试剂为氢氟酸或氢氧化钾。