CN108490538A - 一种利用芯壳玻璃浇注和飞秒激光直写技术制备磁光平面波导的方法 - Google Patents

一种利用芯壳玻璃浇注和飞秒激光直写技术制备磁光平面波导的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种利用芯壳玻璃浇注和飞秒激光直写技术制备平面磁光波导的方法。该方法采用熔融淬火工艺制备35%PbO‑45%Bi2O3‑20%B2O3磁光壳玻璃，利用飞秒激光直写技术在壳玻璃表面生成微通道凹槽，熔融55%PbO‑35%Bi2O3‑10%B2O3磁光芯玻璃并直接淬火浇注至提前预热260°C的壳玻璃表面，冷却至室温后290°C退火2小时，磨去壳玻璃表面多余芯玻璃即得到磁光平面波导。本发明避免了现有磁光波导繁杂的制备工艺和结构，直接在磁光壳玻璃表面生成波导凹槽，并浇注芯玻璃至波导凹槽，原位生成磁光平面波导。本发明制备方法简单，反应条件温和，能耗低，环境友好，波导磁光性能良好，技术易掌握。

Description

一种利用芯壳玻璃浇注和飞秒激光直写技术制备磁光平面波 导的方法
技术领域
本发明涉及磁光平面波导制备技术领域，尤其是涉及磁光玻璃基磁光平面波导的制备方法。
背景技术
受到来自磁光隔离器以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在光学芯片上集成磁光功能成为一个新兴的研究热点，玻璃基集成磁光器件也因此受到极大关注。磁光波导制作是构建磁光功能集成的基础和核心。
目前玻璃基波导集成磁光性能有两方面挑战：一方面，一般玻璃上制备的光学波导不具备磁光性能，必须在波导上另外构建磁性薄膜，然而使波导光学损耗增大。另一方面，构建的磁性薄膜在常见的光学窗口吸收大，不透光，因此不能保障很好的光学性能。在磁光玻璃基片上制作磁光波导可以解决这一难题。
目前普遍研究的磁光波导结构是在Si或者SiO2 基底上沉积磁性膜结构，通过离子交换或者激光刻写技术形成波导区域，然后在该区域一侧或者上下面沉积磁光材料层制作磁光波导。无论制作磁光TE-TM模耦合波导，或者制作磁光非互易相移波导，都需要解决三个难题: 高磁光活性材料的获得，异质材料之间的折射率匹配以及磁光材料与集成传感芯片制作技术的兼容性。由于Si和SiO2基底的熔融温度很高，集成难度很大。基底和磁性材料的集成工艺很难对影响磁光传感质量的磁性膜均匀度、厚度、以及附着度进行有效控制。磁光波导的磁光效应取决于磁性材料。目前常用的磁性材料是YIG，或稀土Ce/Tb掺杂的YIG, GGG等。此类材料生成温度高，只能在红外工作，不能利用紫外及可见光，对集成材料和工艺要求严苛。而且该材料有强烈的光吸收，极大地降低波导信号强度和感应灵敏度。
逆磁玻璃是一种优质的低熔点光学材料，磁光性能不受温度的影响，在紫外和红外区域有很好的透光性能，是一种重要的集成磁光功能的光学基片材料。磁光玻璃基光波导器件具有磁光性能好，成本低、工艺简单、传输损耗低、偏振相关性小、制作容差性大、可批量生产等显著特点。
近年来飞秒激光加工玻璃微通道开创了激光加工的新领域。飞秒激光的主要特性是发光持续时间短、脉冲峰值功率高，与玻璃相互作用时，能以极快的速度将能量聚焦到很小区域，瞬间的高能量密度沉积使作用区域内的温度瞬间内急剧上升，并远远超过玻璃的融化和气化温度，使玻璃处于高温高压高密度的等离子状态，并克服玻璃原有束缚力使该区域以等离子体向外喷发的形式得以去除。这一过程严格避免了玻璃的线性吸收，能量转移和扩散等影响，从而使飞秒激光成为高精度，高空间分辨率的非热熔性冷处理工艺，并成为研究光与物质相互作用快过程的重要工具。
该发明在磁光壳玻璃上通过飞秒激光制备波导图案微通道凹槽，然后直接浇注芯玻璃液至波导凹槽原位生成磁光波导。该发明不仅避免了镀膜工艺及磁性薄膜的额外损耗，而且在芯玻璃均匀机体内减少了光信号受外在的影响和吸收，能极大提高波导传输效率。芯玻璃波导区域的磁光效应良好保持。整个系统是集波导，磁光效应为一体的单片磁光玻璃，避免了传统的磁性层和半导体Si的集成步骤，根据壳玻璃和芯玻璃良好的热膨胀系数匹配以及紫外&红外透光性能，生成磁光波导质量均匀，工作波长比基于YIG等材料的磁光波导大大扩展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用芯壳玻璃浇注和飞秒激光直写技术制备磁光平面波导的方法。
为实现上述目的，本发明可采取下述技术方案：
本发明所述的磁光玻璃基磁光波导的制备方法为: 1）制备磁光壳玻璃：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 35%，45%和20%的摩尔比计算、称量30g搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，然后快速浇注至铜板上形成玻璃，玻璃冷却至室温后 280°C退火2小时并进行研磨抛光。2）制备微通道：设计绘制磁光波导图案导入激光系统，用40倍物镜（NA 0.6）和520μm狭缝将入射激光聚焦于样品，按图案移动脉冲宽度为100飞秒，20 mW波长为514nm的激光束，设定标记速度和跳转速度均为250mm/s，产生直径为2.7μm光斑，在X轴方向以100-250 mm/s的速度移动样品，激光以100kHz的重复频率和0.1W-0.5W的功率在Y方向以5微米的间距重复扫描1〜3000次，以吹气装置和超声波去离子水震荡辅助去除烧蚀玻璃碎屑，最后在280-300℃下退火120分钟即得20-50微米宽，20-30微米深的微通道。3）熔融浇注芯玻璃至微通道：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 55%，35%和10%的摩尔比计算、称量15g搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，快速浇注至260°C预热的壳玻璃表面，290°C退火 2小时，冷却至室温后小心研磨除去表面芯玻璃层，生成磁光平面波导。
所述的磁光玻璃基磁光平面波导图案依据实际需要可自行设计，方便易行。
本发明首次提出在磁光壳玻璃表面通过飞秒激光直接刻写光学波导微通道凹槽，然后通过熔融磁光芯玻璃浇注至波导凹槽，形成磁光平面波导。本发明的优点不仅避免了镀膜工艺及磁性薄膜的额外损耗，而且在芯玻璃均匀机体内减少了光信号受外在的影响和吸收，能极大提高波导光传输效率。根据壳玻璃和芯玻璃良好的热膨胀系数匹配以及良好的紫外&红外透光性能，生成磁光波导质量均匀，芯玻璃波导区域的磁光效应良好，工作波长比基于YIG等材料的磁光波导大大扩展。制备方法简单快捷，节能环保，整个制备流程操作简单，技术较易推广。
附图说明
图1 为本发明利用芯壳玻璃浇注和飞秒激光刻写制备磁光波导的流程图。
图2 为本发明实施例1制备的芯玻璃浇注前后的壳玻璃SEM图。
图3为本发明实施例2制备的磁光玻璃基磁光平面波导形成前后的表面3D扫描图。
图4 为本发明实施例2制备的芯壳磁光玻璃成分及性能对比。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
1）制备磁光壳玻璃：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 35%，45%和20%的摩尔比计算、称量30g并搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，然后快速浇注至铜板上形成玻璃，玻璃冷却至室温后 280°C退火处理2小时并进行研磨抛光。2）制备微通道：设计绘制磁光波导图案并导入激光系统，用40倍物镜（NA 0.6）和520μm狭缝将入射激光聚焦于样品，按图案移动脉冲宽度为100飞秒，20 mW波长514nm的激光束，设定标记速度和跳转速度均为250mm/s，产生直径为2.7μm光斑，在X轴方向以100mm/s的速度移动样品，激光以100kHz的重复频率和0.1W-0.5W的功率在Y方向以5微米的间距重复扫描3000次，以吹气装置和超声波去离子水震荡辅助去除烧蚀玻璃碎屑，最后在280下退火120分钟，得到20-50微米宽，20-30微米深微通道凹槽。3）熔融浇注芯玻璃至微通道凹槽：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 55%，35%和10%的摩尔比计算、称量15g并搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，然后快速浇注到260°C预热的壳玻璃表面，290°C退火 2小时，冷却至室温后小心研磨除去表面芯玻璃层，生成磁光平面波导。
为本发明实施例1制备的芯玻璃浇注前后的壳玻璃SEM如图2所示。磁光波导尺寸为30微米宽，20微米深，芯玻璃浇注后经过表面处理的波导界面清晰，完整无裂纹。
实施例2
1）制备磁光壳玻璃：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 35%，45%和20%的摩尔比计算、称量30g搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，然后快速浇注至铜板上形成玻璃，玻璃冷却至室温后 280°C退火2小时并研磨抛光。2）制备波导微通道凹槽：设计绘制磁光波导图案并导入激光系统，用40倍物镜（NA 0.6）和520μm狭缝将入射激光聚焦于样品，按图案移动脉冲宽度为100飞秒，20 mW波长514nm的激光束，设定标记速度和跳转速度均为250mm/s，产生直径为2.7μm光斑，在X轴方向以100mm/s的速度移动样品，激光以100kHz的重复频率和0.2W的功率在Y方向以5微米的间距重复扫描2000次，以吹气装置和超声波去离子水震荡辅助去除烧蚀玻璃碎屑，最后在280下退火120分钟，得到50微米宽，40微米深的微通道。3）熔融浇注芯玻璃至微通道：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 55%，35%和10%的摩尔比计算、称量15g并搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，然后快速浇注到260°C预热的壳玻璃表面，290°C退火 2小时，冷却至室温后小心研磨除去表面芯玻璃层，生成磁光平面波导。
为本发明实施例2制备的磁光玻璃基磁光平面波导形成前后的表面3D扫描图。可以看到芯玻璃浇注前波导微通道宽50微米，深40微米。芯玻璃浇注和表面研磨后波导表面平整，无空穴。
本发明实施例2 中制备的芯磁光玻璃（波导区域）和壳磁光玻璃（周围区域）性能对比如图4所示。可以看出二者热膨胀系数和玻璃转化温度非常接近，能保证波导区域和周围在形成过程中热性能匹配良好，无裂纹产生。而且芯玻璃的折射率大于壳玻璃，保证光信号在波导区域的传播质量。芯玻璃具备较大的磁光菲尔德常数，能保证磁光波导的较好的磁光效应。

Claims (2)

1.一种利用芯壳玻璃浇注和飞秒激光直写技术制备磁光平面波导的方法，其特征在于：1）制备磁光壳玻璃：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 35%，45%和20%的摩尔比计算、称量30g搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，然后快速浇注至铜板上形成玻璃，玻璃冷却至室温后 280°C退火2小时并进行研磨抛光；2）制备微通道：设计绘制磁光波导图案导入激光系统，用40倍物镜（NA 0.6）和520μm狭缝将入射激光聚焦于样品，按图案移动脉冲宽度为100飞秒，20 mW波长为514nm的激光束，设定标记速度和跳转速度均为250mm/s，产生直径为2.7μm光斑，在X轴方向以100-250 mm/s的速度移动样品，激光以100kHz的重复频率和0.1W-0.5W的功率在Y方向以5微米的间距重复扫描1〜3000次，以吹气装置和超声波去离子水震荡辅助去除烧蚀玻璃碎屑，最后在280-300℃下退火120分钟即得20-50微米宽，20-30微米深的微通道；3）熔融浇注芯玻璃至微通道：以PbO,Bi2O3及B2O3为原料按照 55%，35%和10%的摩尔比计算、称量15g搅拌均匀后放入100%Al2O3坩埚内900°C融化1小时，快速浇注至260°C预热的壳玻璃表面，290°C退火 2小时，冷却至室温后小心研磨除去表面芯玻璃层，生成磁光平面波导。
2.根据权利要求1 所述的磁光玻璃基磁光平面波导图案依据实际需要可自行设计，方便易行。
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