CN109459871A - 一种基于磁光波导的隔离器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于磁光波导的隔离器及其制备方法，用于克服现有磁光隔离器尺寸大，无法满足小型化、集成化要求的缺陷，属于集成光学领域。本发明是先通过离子注入和飞秒激光烧蚀技术相结合的方法在磁光材料中制备出脊型波导结构，再在脊波导的两个光传输端面使用飞秒激光刻蚀出光栅，从而制备出集成磁光隔离器。然后通过外加磁场从而达到隔离效果。本发明最终通过设计器件结构，实现了光隔离器的小型化、集成化的制备。

Description

一种基于磁光波导的隔离器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于磁光波导的隔离器及其制备方法，属于集成光电子器件领域，可应用于光隔离器的小型化、集成化的制备。
背景技术
目前商用的光隔离器基本上都是体型结构的光学器件。但是，随着集成光学的迅速发展，传统的体型隔离器不能被集成在微纳尺度上。因此，波导型磁光隔离器的研究成为热点领域。磁旋光玻璃也叫法拉第(Faraday)旋光玻璃，是一种新兴的功能材料。由于其自身的Faraday效应，在磁光隔离器、环形器、磁光调制器、激光开关和延迟器等器件中已被广泛应用。除此之外，由于其在可见光及近红外波段的透射率较高，磁旋光玻璃也被大量应用于大功率激光输出控制中。因此，在磁旋光介质上制作三维光子结构也成为了光子器件制造的一个热点，在集成光学领域有着重要的应用前景。
光波导是集成光学的基本元件，它被定义为两边被低折射率介质包围起来的一层有高折射率的介质区域。光波导把光限制在波导内传输，因而可增加光的传输效率、降低光源功率等。离子注入技术可以改变固体表面的物理特性，并且已成功的在多种晶体材料上形成了平面光波导。与其他光波导的制备方法(如扩散、离子交换和表面外延生长等)相比，离子注入技术有独特的优点：可以在常温或低温下完成注入，注入的能量、剂量可以较精确地控制，而且注入离子的种类繁多。对于制备脊型波导结构目前常利用离子注入和飞秒激光烧蚀技术相结合的方法。飞秒激光烧蚀技术由于在焦点区域具有较高的电场强度，具有很高的峰值功率和功率密度，从而可以快速烧蚀掉特定部分。在平面波导的基础上用飞秒激光烧蚀可以制备出脊型波导。此外，飞秒激光加工技术也是一种新型的微结构加工技术。飞秒激光加工技术被应用在晶体和玻璃等材料上刻写光栅和制备集成光路等(OpticsLetters 41(1)17-20(2016)、Optics Express26(2)1497-1505(2018))。目前传统的光隔离器无法在整体上实现隔离器的功能，需要外加起偏器和检偏器。本发明利用离子注入和飞秒激光烧蚀、刻写等技术在磁旋光玻璃上制备出光隔离器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波导型集成磁光隔离器，用于克服现有隔离器尺寸大，无法满足小型化、集成化要求的缺陷。本发明制备的光隔离器结构工艺简单，集成度高，成本低廉，能大规模的应用。
本发明提供的一种基于磁光波导的隔离器，由衬底(1)、位于所述衬底(1)之上的脊型波导层(2)和位于脊型波导层的两个光传输端面上的类似光栅的结构(3)构成；其中，所述脊型波导层(2)为磁旋光玻璃样品经过离子注入结合飞秒激光烧蚀而形成的脊型波导结构；所述光栅结构(3)为经过飞秒激光刻写后形成的。所述光栅结构(3)具备如下状态：光入射端面的光栅处于起偏器状态，能使耦合进波导的光无损的通过；光出射端面的光栅处于检偏器状态，只允许经过波导偏转45°后方向的偏振光通过；而正向输出的45°方向的偏振光被反射回来后反向再次通过波导，被波导转换为与最初输入线偏转光垂直的线偏转光，从而达到隔离反射光的效果；波导中传输的光经外加与传输方向平行的磁场作用而偏转45°。
进一步的，所述波导结构为通过离子注入和飞秒激光烧蚀技术相结合制备出的脊型波导结构；所述磁光隔离器是在脊波导结构的两个端面上利用飞秒激光刻蚀形成光栅，从而得到集成在一块磁旋光玻璃上的光隔离器。
一种磁光波导隔离器的制备方法，包含以下步骤：
1)对磁旋光样品进行波导制备前的处理
将磁旋光玻璃样品切割为10.0mm×10.0mm×1.0mm的大小，对样品表面和端面进行光学抛光处理，抛光后的样品先后经过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；
2)制备平面波导结构
将步骤1)处理的样品放入2×1.7MV串列加速器中，进行离子注入；所述离子注入根据波导形成机理的不同分为轻离子注入和重离子注入；供选择的轻离子有氢离子和氦离子，重离子采用原子质量大于2的离子，包括但不限于碳离子、氧离子和硅离子；可以根据注入的能量和剂量选择合适的离子注入方式。轻离子注入时，选择能量为400-550keV、剂量为1×1016-1×1017ions/cm2的离子，其离子束流为100nA；重离子注入时，选择能量为1MeV-6MeV、剂量为1×1013-5×1015ions/cm2的离子，其离子束流为50nA；经离子注入后在样品中形成平面波导结构；
3)制备脊型波导结构
将经步骤2)后的样品置于空间分辨率为0.2μm的三维调节平台上，使用波长为800nm，脉冲宽度为220fs，脉冲重复频率为1kHz的Ti:Sapphire激光系统，通过20×显微镜物镜N.A.＝0.4，将飞秒激光聚焦在样品表面上，并以200μm/s的扫描速度对样品进行烧蚀处理，经飞秒激光烧蚀后形成脊型波导结构。
4)刻写光栅
在经步骤3)形成的脊型波导的两个端面上利用飞秒激光进行刻蚀，使用波长为800nm，脉冲宽度为220fs，写入速度为200μm/s，脉冲重复频率为1kHZ的Ti:Sapphire激光系统对脊波导两光传输端面进行刻写，相邻写入踪迹为20μm，形成类似光栅的结构，充当传统光隔离器中的起偏器和检偏器结构。
5)制备出集成的光隔离器
对所制备的样品通光观察，并施加磁场，形成磁光隔离器。将波长为632.8nm的光经过光纤耦合进入脊形波导结构(3)。当波长为632.8nm时，磁旋光玻璃费尔德系数为0.33rad/(T·cm)。根据公式θ＝∫VHldl，计算出所需加磁场B的大小。
进一步的，所述步骤1中，样品表面和端面进行光学抛光处理具体步骤为粗磨、细磨、粗抛和精抛；
粗磨：在铸铁盘上涂抹适量W20乐山砂磨料，将样品放在专门的夹具里，然后将夹具小心放置在铸铁盘上，然后在铸铁盘上转动夹具，持续5分钟左右。
细磨：使用W7的乐山砂精磨。将夹具及样品小心放置在玻璃盘上，先将转速旋钮逆时针扭到底，然后开动机器将转速逐渐调整到30-40rpm，持续时间5min。
粗抛：W1.5金刚石研磨膏配合粗抛布粗抛。将清洗后的夹具及样品小心放置在粗抛盘上，将5cm长的膏体挤到盘上，用手抹匀，然后在盘面上加适量的水，先将转速旋钮逆时针扭到底，然后开动机器逐渐调整到所需转速。持续10分钟。
精抛：W0.5金刚石研磨膏配合黑色阻尼布精抛。将清洗后的夹具及样品小心放置在精抛盘上，将5cm长的膏体挤到盘上，用手抹匀，然后在盘面上加适量的水。先将转速旋钮逆时针扭到底，然后开动机器逐渐调整到所需转速。精抛的转速以60rpm为宜，10min即可。
进一步的，所述步骤2中，对经离子注入后在样品中形成的平面光波导依次使用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗。
进一步的，所述步骤3中，对烧蚀后的样品进行260℃退火处理1小时。
本发明采用上述方法在磁旋光玻璃上制备集成光隔离器。利用材料的磁光效应制备具有光信息功能的波导型器件，在波导端面刻蚀类似光栅的结构来代替光隔离器中的起偏器和检偏器，从而在一块基质材料上制备集成光隔离器。本发明大大减小了光隔离器的尺寸，实现了光隔离器的小型化、集成化。
附图说明
图1是本发明的制备流程示意图。
图2(a)是集成光隔离器结构示意图。
图2(b)是集成光隔离器截面图。
图3是集成光隔离器制备工艺过程示意图。
附图解释：1磁旋光玻璃衬底，2脊型波导层，3光栅结构，4平面波导层。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合制备光隔离器的实例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
实施例1：
1)样品处理：将磁旋光玻璃样品切割成大小为10.0mm×10.0mm×1.0mm，对样品表面和端面进行光学抛光处理。抛光后的样品先用丙酮超声20分钟，然后分别用乙醇和去离子水清洗；
2)制备平面波导结构：将步骤1)处理的样品放入2×1.7MV串列加速器中，注入能量为550keV，剂量为4.0×1016ions/cm2的氢离子。氢离子注入磁旋光玻璃后形成平面波导如图3所示。对平面光波导先后用丙酮，乙醇，去离子水进行清洗。
3)制备脊型波导结构：将清洗过后的平面光波导结构置于空间分辨率为0.2μm的三维调节平台上。使用波长为800nm，脉冲宽度为220fs，脉冲重复频率为1kHz的Ti:Sapphire激光系统，通过20×显微镜物镜(N.A.＝0.4)将飞秒激光聚焦在样品表面上，并以200μm/s的扫描速度烧蚀。形成的脊型光波导结构如图3所示。对烧蚀后的样品进行260℃退火处理1小时。
4)刻写光栅：用步骤3)所述激光系统对脊波导两个端面进行刻写，制备出光栅结构。光栅结构如图3所示。
5)对步骤4)制备出的样品进行通光观测，并施加磁场，形成磁光隔离器。如图2(a)所示。
实施例2：
1)样品处理：将磁旋光玻璃样品切割成大小为10.0mm×10.0mm×1.0mm，对样品表面和端面进行光学抛光处理。抛光后的样品先用丙酮超声20分钟，然后分别用乙醇和去离子水清洗；
2)制备平面波导结构：将步骤1)处理的样品放入2×1.7MV串列加速器中，注入能量为6MeV、剂量为2.0×1015ions/cm2的硅离子。硅离子注入磁旋光玻璃后形成平面光波导如图3所示。对平面光波导先后用丙酮，乙醇，去离子水进行清洗。
3)制备脊型波导结构：将清洗过后的平面光波导置于空间分辨率为0.2μm的三维调节平台上。使用波长为800nm，脉冲宽度为220fs，脉冲重复频率为1kHz的Ti:Sapphire激光系统，通过20×显微镜物镜(N.A.＝0.4)将飞秒激光聚焦在样品表面上，并以200μm/s的扫描速度烧蚀。形成的脊型光波导结构如图3所示。对烧蚀后的样品进行200℃退火处理1.5小时。
4)刻写光栅：用步骤3)所述激光系统对脊波导两个端面进行刻写，制备出光栅结构。光栅结构如图3所示。
5)对步骤4)制备出的样品进行通光观测，并施加磁场，形成磁光隔离器。如图2(a)所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于磁光波导的隔离器，其特征在于:由衬底(1)、位于所述衬底(1)之上的脊型波导层(2)和位于脊型波导层的两个光传输端面上的类似光栅的结构(3)构成；其中，所述脊型波导层(2)为磁旋光玻璃样品经过离子注入结合飞秒激光烧蚀而形成的脊型波导结构；所述光栅结构(3)为经过飞秒激光刻写后形成的。
2.根据权利要求1所述的基于磁光波导的隔离器，其特征在于:所述光栅结构(3)具备如下状态：
光入射端面的光栅处于起偏器状态，能使耦合进波导的光无损的通过；
光出射端面的光栅处于检偏器状态，只允许经过波导偏转45°后方向的偏振光通过；
而正向输出的45°方向的偏振光被反射回来后反向再次通过波导，被波导转换为与最初输入线偏转光垂直的线偏转光，从而达到隔离反射光的效果；
波导中传输的光经外加与传输方向平行的磁场作用而偏转45°。
3.根据权利要求1所述的基于磁光波导的隔离器，其特征在于:所述隔离器是利用磁光材料的磁光效应制作而成的集成波导型器件，所述磁光材料为磁旋光玻璃。
4.根据权利要求1所述的基于磁光波导的隔离器，其特征在于:所述波导结构为通过离子注入和飞秒激光烧蚀技术相结合制备出的脊型波导结构；所述磁光隔离器是在脊波导结构的两个端面上利用飞秒激光刻蚀形成光栅，从而得到集成在一块磁旋光玻璃上的光隔离器。
5.一种磁光波导隔离器的制备方法，其特征在于：制备方法中包含以下步骤：
1)对磁旋光样品进行波导制备前的处理
将磁旋光玻璃样品切割为10.0mm×10.0mm×1.0mm的大小，对样品表面和端面进行光学抛光处理，抛光后的样品先后经过丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；
2)制备平面波导结构
将步骤1)处理的样品放入2×1.7MV串列加速器中，进行离子注入；所述离子注入根据波导形成机理的不同分为轻离子注入和重离子注入，并根据注入的能量和剂量选择合适的离子注入方式；供选择的轻离子有氢离子和氦离子，重离子采用原子质量大于2的离子，包括但不限于碳离子、氧离子和硅离子；轻离子注入时，选择能量为400-550keV、剂量为1×1016-1×1017ions/cm2的离子，其离子束流为100nA；重离子注入时，选择能量为1MeV-6MeV、剂量为1×1013-5×1015ions/cm2的离子，其离子束流为50nA；经离子注入后在样品中形成平面波导结构；
3)制备脊型波导结构
将经步骤2)后的样品置于空间分辨率为0.2μm的三维调节平台上，使用波长为800nm，脉冲宽度为220fs，脉冲重复频率为1kHz的Ti:Sapphire激光系统，通过20×显微镜物镜N.A.＝0.4，将飞秒激光聚焦在样品表面上，并以200μm/s的扫描速度对样品进行烧蚀处理，经飞秒激光烧蚀后形成脊型波导结构；
4)刻写光栅
在经步骤3)形成的脊型波导的两个端面上利用飞秒激光进行刻蚀，使用波长为800nm，脉冲宽度为220fs，写入速度为200μm/s，脉冲重复频率为1kHZ的Ti:Sapphire激光系统对脊波导两光传输端面进行刻写，相邻写入踪迹为20μm，形成类似光栅的结构，充当传统光隔离器中的起偏器和检偏器结构；
5)制备出集成的光隔离器
对所制备的样品通光观察，并施加磁场，形成磁光隔离器，将波长为632.8nm的光经过光纤耦合进入脊形波导结构(3)；当波长为632.8nm时，磁旋光玻璃费尔德系数为0.33rad/(T·cm)；根据公式θ＝∫VH1dl，计算出所需加磁场B的大小。
6.根据权利要求4所述的磁光波导隔离器的制备方法，其特征在于：所述步骤1中，样品表面和端面进行光学抛光处理具体步骤为粗磨、细磨、粗抛和精抛；
1.1)粗磨
在铸铁盘上涂抹适量W20乐山砂磨料，将样品放在专门的夹具里，然后将夹具小心放置在铸铁盘上，然后在铸铁盘上转动夹具，持续5分钟左右；
1.2)细磨
使用W7的乐山砂精磨，将夹具及样品小心放置在玻璃盘上，先将转速旋钮逆时针扭到底，然后开动机器将转速逐渐调整到30-40rpm，持续时间5min；
1.3)粗抛
W1.5金刚石研磨膏配合粗抛布粗抛，将清洗后的夹具及样品小心放置在粗抛盘上，将5cm长的膏体挤到盘上，用手抹匀，然后在盘面上加适量的水，先将转速旋钮逆时针扭到底，然后开动机器逐渐调整到所需转速，持续10分钟；
1.4)精抛
W0.5金刚石研磨膏配合黑色阻尼布精抛，将清洗后的夹具及样品放置在精抛盘上，将5cm长的膏体挤到盘上，用手抹匀，然后在盘面上加适量的水，先将转速旋钮逆时针扭到底，然后开动机器逐渐调整到所需转速，精抛的转速以60rpm为宜，10min即可。
7.根据权利要求4所述的磁光波导隔离器的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，对经离子注入后在样品中形成的平面光波导依次使用丙酮、乙醇、去离子水进行清洗。
8.根据权利要求4所述的磁光波导隔离器的制备方法，其特征在于：所述步骤3中，对烧蚀后的样品进行260℃退火处理1小时。
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