CN109507813A - 一种基于脊波导结构的光隔离器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于脊波导结构的光隔离器及其制备方法,属于光电子器件制备技术领域。磁旋光玻璃作为基质材料，使用离子注入技术在磁旋光玻璃的上表面形成平板波导结构；在平板光波导上利用精密金刚石切割机切割形成脊形光波导结构；对脊型光波导的两个光传输端面分别使用飞秒激光器进行刻写，充当偏振器件的作用。通过光纤将一束偏振光耦合进脊波导结构，并在整个波导结构上加一磁场。在输出和输入端监测光功率的大小，表明能够实现隔离反射光的作用，并且结构紧凑、易于集成，在光通信领域有着重要的应用前景。

Description

一种基于脊波导结构的光隔离器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光隔离器及其制备方法，特别是一种基于脊波导结构的光隔离器及其制备方法，属于光电材料与器件技术领域。
背景技术
磁旋光玻璃是一种新型功能材料，具有制造成本低和能够形成大尺寸等优点，能够大规模地应用在器件上的制备中。除此之外，磁旋光玻璃具有法拉第旋光效应及在可见和近红外区域具有高的光学透过率，已经被运用在磁光隔离器、环形器、磁光调制器和光开光等。因此，关于磁旋光玻璃的研究一直是个热点。
光波导利用光波在折射率不同的两种物质界面上发生全反射的原理，将光波限制在微米量级区域内传输，是制造光电器件的基本组成部分。在磁旋光玻璃上制备法拉第旋光波导的主要方法有直接键合法、薄膜溅射沉积和离子注入技术等。直接键合法和薄膜溅射沉积都为不同材料之间表面的结合，不能与衬底材料紧密结合并且制备时间较长。离子注入技术是把高能离子束直接注入到光学材料内部，与衬底材料融为一体，避免了直接键合法和薄膜溅射沉积法中波导层与衬底材料结合不紧密和制备时间较长等缺点。另外，离子注入具有可控性好、重复性强、对材料的选择性较少和基本不受温度与固溶度的限制等优点。对于制备脊形波导工艺目前常采用刻蚀技术。刻蚀技术存在着成本高，工艺复杂，表面的粗糙程度不易控制等劣势。精密金刚石切割具有切割深度及宽度可控(精度在0.02μm)，制造工艺简单，切割面光滑等优点，是近年兴起的一项脊波导制备工艺。此外，飞秒激光加工技术是一种新型的微结构加工技术。K.M.Davis等人在1996年首次利用810nm飞秒激光在玻璃上刻写制备光波导结构。随后，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(Optics Letters 41(1)17-20(2016)、Optics Express 26(2)1497-1505(2018))。在制备法拉第旋光器件方面，M.Levy等人首次利用溅射法在磁性石榴石薄膜上沉积一层薄的YIG磁性材料，形成了法拉第旋光隔离器。Shoji等人在真空环境中利用等离子体辐照技术将Ce:YIG薄膜直接键合到硅基波导上，制备法拉第旋光隔离器(Applied Physics Letters 92,071117(2008))。上述制备光隔离器的方法无法在整体上实现隔离器的功能，需要外加起偏器与检偏器。本发明利用离子注入、精密金刚石切割和飞秒激光刻写等技术在一整块磁旋光玻璃上制备出光隔离器。
发明内容
本发明通过离子注入和精密金刚石刀切割的方法在磁旋光玻璃上形成非互易脊形波导，并且利用飞秒激光器在脊形波导的端面上制备光栅偏振器以形成法拉第旋转器，进而研制集成磁光隔离器。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。
根据现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于脊波导结构的光隔离器，所述光隔离器由起偏器、检偏器和法拉第旋光区域组成，所述光隔离器是以磁旋光玻璃为衬底材料，光隔离器上表面为呈脊形结构的波导结构，所述脊形结构的两个端面为光栅结构，所述光栅结构充当光隔离器的起偏器和检偏器，所述磁旋光玻璃构成法拉第旋光区域。
一种基于脊波导结构的光隔离器的制备方法，利用离子注入结合精密金刚石切割技术在磁旋光玻璃上制备脊形光波导的方法为：以磁旋光玻璃作为法拉第旋光材料，通过离子注入与精密金刚石刀切割相结合的方法在其上制备脊形波导结构，并且在波导的两个端面上利用飞秒激光烧蚀形成光栅偏振器，构建集成磁光隔离器；所述磁旋光玻璃上表面被离子束轰击形成平面光波导；所述平面光波导上表面由精密金刚石切割机切割形成脊形波导；所述脊形波导的两个光传输面由飞秒激光均匀刻写构成光栅结构，即得到集成在一整块磁旋光玻璃上的光隔离器。
进一步的，所述平面波导平面的厚度3～6μm；脊形波导的切割深度为30μm，宽度为7～12μm。
进一步的，包括以下步骤：
1)将磁旋光玻璃z切为20mm×10mm×2mm的大小，将样品表面(20mm×10mm)和两个端面(10mm×2mm)光学抛光，样品先后使用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；
2)将步骤1)处理的样品放入加速器靶室中，进行轻离子或重离子注入；轻离子注入时，选择能量为400-550keV、剂量为1×1016ions/cm2和离子束流为100nA；重离子注入时，选择能量1MeV-6MeV、剂量为1×1013-5×1015ions/cm2和离子束流为20nA。所述的轻离子为氢离子或氦离子，重离子为氧离子或碳离子。经离子注入后形成平板光波导，厚度约为3～6μm；
3)精密金刚石切割：将清洗的平板光波导放在金刚石切割机圆盘上进行切割，切割方向沿平面光波导的+z轴，切割机的转速为30000r/min，切割速度为0.02mm/s。切割的波导宽度在7～12μm，切割深度为30μm，形成脊形波导结构。
4)飞秒激光刻写：在由精密金刚石切割机切割形成的脊波导的两个端面上利用飞秒激光进行写入，沿端面横向烧蚀，产生间隔为x的写入踪迹，并且多条写入踪迹均匀排布，即形成类似光栅的结构，充当集成光隔离器的起偏器与检偏器；
5)利用光纤将光耦合进步骤4)制备的样品的端面，根据波导的长度及基质材料的费尔德系数，在样品所处的环境中加一个特定的磁场，使得入射光及内部的反射光在波导区域能够精确的旋转45°，达到理论最佳的隔离度即得到集成的光隔离器。
本发明采用上述方法在磁旋光玻璃上制备集成光隔离器，离子注入基本不改变磁旋光玻璃的光学性能，精密金刚石切割技术是一种精密加工技术，具有很好的可控性，飞秒激光刻写技术是一种新型的微结构制备工艺。结合上述三种优异的技术能够更好地实现集成化光电材料器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明首次提出选用磁旋光玻璃作为基底材料，并结合离子注入技术、精密金刚石切割和飞秒激光刻写等可控的加工技术，在一块基质材料上制备集成光隔离器。同时，玻璃能大规模的生产，这将为其在光电器件领域大量的应用提供广阔的前景。
附图说明
图1是本发明方法一种基于脊波导结构的光隔离器及其制备方法的流程示意图。
图2是在磁旋光玻璃上制备平板波导示意图。
图3是在磁旋光玻璃上制备脊形波导的示意图。
图4是利用飞秒激光写入脊形波导端面充当起偏器与检偏器结构示意图。
图5是本发明飞秒激光写入脊波导端面的放大示意图。
图6是本发明制备的光隔离器的工作示意图。
附图标记：1表示注入的离子束，2表示离子注入后形成的平面波导区域，3表示衬底材料，4表示精密金刚石刀切割后脊形波导的高度，5表示精密金刚石刀切割后脊形波导的宽度，6表示精密金刚石刀切割后脊形波导的间距，7表示脊波导区域范围，8表示飞秒激光刻写波导的宽度，9表示飞秒激光刻写波导的宽度，10表示脊波导端面，11表示飞秒激光器，12表示光隔离器的输入端，13表示光隔离器的输出端。
具体实施方式
本实施例提供的一种基于脊波导结构的光隔离器，由起偏器、检偏器和法拉第旋光区域组成，该光隔离器是以磁旋光玻璃为衬底材料，其上表面为呈脊形结构的波导结构，所述脊形结构的两个端面为光栅结构，所述光栅结构充当光隔离器的起偏器和检偏器，所述磁旋光玻璃构成法拉第旋光区域。
具体实施例1：
1)样品处理：选择磁旋光玻璃样品，z切，尺寸为20mm×10mm×2mm，上下表面及两个侧面(10mm×2mm)抛光处理。样品先用丙酮超声10分钟、然后分别用乙醇和去离子水清洗；
2)离子注入：将步骤1)处理的样品放入加速器靶室中，注入能量为550keV的氢离子,注入剂量为4.0×1016ions/cm2。对注入的样品进行260℃退火处理1小时。氢离子注入磁旋光玻璃后形成平面光波导如图2，平面光波导的波导层厚度为是4μm。对平面光波导先后用丙酮，酒精，去离子水进行清洗。
3)精密金刚石切割：将清洗的平板光波导放在金刚石切割机圆盘上，切割平板光波导的+z表面，切割机的转速为30000rpm，切割速度为0.02mm/s。切割的波导宽度为7～12μm，切割深度为30μm，两条脊的间隔6为200μm，形成脊形光波导结构如图3，并对脊波导上表面进行清洗。
4)飞秒激光写入：飞秒激光器11的波长为800nm，脉冲重复频率为1kHz，脉冲宽度为200fs，写入速度为1mm/s,相邻的写入踪迹为20μm，在脊形波导的两个端面10(10mm×2mm)上刻写。
5)将波长为632.8nm的光经过光纤耦合进入脊形波导结构并且在脊形波导的另外一端检测。当波长为632.8nm时，磁旋光玻璃费尔德系数为0.33rad/(T·cm)。根据费尔德常数和波导长度，计算出所需加磁场B的大小。
6)在隔离器的输入端和输出端分别检测入射光输出功率、正向光波入射功率，反射光波入射功率，反射光输出功率，确定隔离度大小。结果表明本方法制备的光隔离器起到隔离反射光的作用。
具体实施例2：
1)样品处理：选择磁旋光玻璃样品，z切，尺寸为20mm×10mm×2mm，上下表面及两个侧面(10mm×2mm)抛光处理。样品先用丙酮超声10分钟，然后分别用乙醇和去离子水清洗；
2)离子注入：将步骤1)处理的样品放入加速器靶室中，注入能量为6MeV的碳离子，注入剂量为6.0×1014ions/cm2。对注入的样品进行200℃退火处理1.5小时。碳离子注入磁旋光玻璃后形成平面光波导如图2，平面光波导的波导层厚度为是5μm，对平面光波导先后使用丙酮，酒精和去离子水进行清洗。
3)精密金刚石切割：将清洗的平板光波导放在金刚石切割机圆盘上，切割平板光波导的+z表面，切割机的转速为30000rpm，切割速度为0.02mm/s。切割的波导宽度为7～12μm，切割深度为30μm，两条脊的间隔为200μm，形成脊形光波导结构如图3，并对脊波导上表面进行清洗。
4)飞秒激光写入：飞秒激光器的波长为800nm，脉冲重复频率为1kHz，脉冲宽度为200fs，写入速度为1mm/s,相邻的写入踪迹为20μm，在脊形波导的两个端面(10mm×2mm)上刻写。
5)将波长为632.8nm的光经过光纤耦合进入脊形波导结构，当波长为632.8nm时，磁旋光玻璃费尔德系数为0.33rad/(T·cm)。根据费尔德常数和波导长度，计算出所需加磁场B的大小。
6)在隔离器的输入和输出端分别检测入射光输出功率、正向光波入射功率，反射光波入射功率，反射光输出功率，确定隔离度大小。结果表明本方法制备的光隔离器起到隔离反射光的作用。
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 (5)

1.一种基于脊波导结构的光隔离器，其特征在于：
所述光隔离器由起偏器、检偏器和法拉第旋光区域组成，所述光隔离器是以磁旋光玻璃为衬底材料，光隔离器上表面为呈脊形结构的波导结构，所述脊形结构的两个端面为光栅结构，所述光栅结构充当光隔离器的起偏器和检偏器，所述磁旋光玻璃构成法拉第旋光区域。
2.一种基于脊波导结构的光隔离器的制备方法，其特征在于：以磁旋光玻璃作为法拉第旋光材料，通过离子注入与精密金刚石刀切割相结合的方法在其上制备脊形波导结构，并且在波导的两个端面上利用飞秒激光烧蚀形成光栅偏振器，构建集成磁光隔离器；所述磁旋光玻璃上表面被离子束轰击形成平面光波导；所述平面光波导上表面由精密金刚石切割机切割形成脊形波导；所述脊形波导的两个光传输面由飞秒激光均匀刻写构成光栅结构，即得到集成在一整块磁旋光玻璃上的光隔离器。
3.根据权利要求2所述的基于脊波导结构的光隔离器的制备方法，其特征在于：所述平面波导平面的厚度3～6μm；脊形波导的切割深度为30μm，宽度为7～12μm。
4.根据权利要求2所述的基于脊波导结构的光隔离器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将磁旋光玻璃z切为20mm×10mm×2mm的尺寸，将其表面和两个端面抛光，并且先后采用丙酮、乙醇和去离子水超声清洗；
2)将步骤1)处理的样品放入加速器靶室中，进行轻离子或重离子注入；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；
3)将清洗的平板光波导放在金刚石切割机圆盘上，沿波导的+z轴方向以转速为30000r/min和切割速度为0.02mm/s进行切割，形成脊形波导结构；
4)在脊波导两个端面利用飞秒激光进行写入，沿端面横向烧蚀，产生间隔为x的写入踪迹，并且多条写入踪迹均匀排布，即形成类似光栅的结构，充当光隔离器的起偏器与检偏器；
5)利用光纤将光耦合进步骤4)制备的样品的端面，并在样品所处的环境中加入大小由波导长度和基质材料的费尔德系数控制的磁场，即得到集成的光隔离器。
5.根据权利要求2所述的基于脊波导结构的光隔离器的制备方法，其特征在于：所述步骤2中，轻离子注入时，选择能量为400-550keV、剂量为1×1016ions/cm2、离子束流为100nA；重离子注入时，选择能量1MeV-6MeV、剂量为1×1013-5×1015ions/cm2、离子束流为20nA；所述的轻离子为氢离子或氦离子，重离子为氧离子或碳离子。经离子注入后形成平板光波导，厚度约为3～6μm。
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