CN110216383B - 一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法 - Google Patents

一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法。采用的制备设备核心部件主要是激光整形装置，该激光整形装置主要由一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板及一块紧贴掩模板的掺杂玻璃组成，玻璃掺杂区域与圆孔大小一致，其一半圆具有离子高掺特性，另一半圆具有离子掺杂浓度从圆心沿径向递增的分布特点。当行进的激光束经过激光整形装置后，产生一束光强从圆心沿径向递减分布的半圆形激光束。当半圆形激光束刻蚀光波导后，获得严格规则的球形凹面，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。

Description

一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法
技术领域
本发明涉及微加工制造领域，具体涉及一种通过激光冷加工的方式在光波导上制备球形凹面镜的方法。
背景技术
近年来，随着大数据中心、超级计算机等领域的不断发展，通过铜导线连接的电互连技术遇到了发展的瓶颈，目前业界认为，当信号传输速率升到100Gb/s时，传统的电互连技术已经无能为力。而基于光波导理论的光背板互连技术正处于快速发展中，由于具有高传输带宽、低损耗、低成本和不受电磁干扰等优点，已经成为信息技术领域的研究热点。
目前，光纤-光波导的耦合技术(平行耦合及垂直耦合)是光背板互连领域的关键技术之一，然而目前还没有一个有效的、切实可行的技术方案及技术标准，特别是垂直耦合技术，已经成为困扰光背板互连技术走向实用化的最大问题之一。为了进一步推动光互连技术市场化，就要解决垂直耦合技术问题及由于光源、光纤、光波导等器件之间的数值孔径不匹配而导致较大的耦合损耗问题。目前所发展的垂直耦合技术主要有倾斜镜面法(申请公布号：CN105397300A)、波导光栅耦合法(申请公布号：CN 102540349A)等能够初步解决光纤-光波导的垂直耦合需求，但由此带来的光学器件数值孔径匹配问题使得垂直耦合效率比较低下，因此，在此基础上又发展了在光波导上制备凹面镜(Design and fabricationof embedded micro-mirror inserts for out-of-plane coupling in PCB leveloptical interconnections，Micro-Optics2010)及类球形凹面镜(Fabrication ofconcave microlens arrays by local fictive temperature modification offusedsilica，Optics Letters，42(6)，2017)的方式，来进一步提高光纤-光波导的垂直耦合效率。对于凹面镜的制备方法，主要有利用二氧化碳激光热烧蚀及紫外激光冷加工刻蚀的方法，但此两种方法制备的凹面镜并非是严格规则的球形凹面，而是具有一定其他函数分布的类球形凹面镜，并且其加工方法需要严格控制加工参数，从而增加了工艺难度及复杂度。
针对光背板互连领域光纤-光波导高效垂直耦合的技术需求，本发明提出了一种基于激光冷加工直接在光波导上制备球形凹面镜的方法，相对于其他类球形凹面镜的技术，本发明所制备的凹面镜是严格规则的球形状。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的缺陷，提出了一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，旨在减小数值孔径不匹配而导致的光纤-光波导的耦合损耗。本发明具有操作简单，可控性好，高效垂直耦合等优点。
根据上述发明目的，本发明的构思为：
一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，实现对光波导进行球形凹面的加工主要是需要产生一定光强分布的半圆形激光束，而半圆形激光束主要通过一个核心部件——激光整形装置来实现的。其激光整形装置的工作机理为：激光整形装置主要由一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板及一块紧贴在掩膜板的圆孔处的不同离子浓度掺杂的特殊玻璃组成；激光通过掩模板产生圆形激光束；这块特殊玻璃的掺杂区域形状为圆形，其大小与掩膜板上的圆孔大小一致，其掺杂的圆形区域一半圆具有离子高掺特性，使透射的光很弱或者完全不透光，而另一半圆具有掺杂离子浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点。由于不同浓度的离子掺杂，对光的吸收也不相同，因此，当行进的激光经过掩模板圆孔及掺杂玻璃后，形成光强具有从圆心向径向边缘递减分布的半圆形激光束。当这个半圆形激光束作用于波导样品后，光强大的激光刻蚀深度深，光强小的激光刻蚀深度浅。通过对掺杂玻璃浓度的精确控制，由此精确控制半圆形激光束的光强分布，对波导样品刻蚀后获得严格规则的球形凹面，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，采用的制备设备核心部件主要是激光整形装置，该激光整形装置主要由一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板及一块紧贴在掩模板圆孔处的不同离子浓度掺杂的特殊玻璃组成；激光通过掩模板产生圆形激光束；这块特殊玻璃的掺杂区域其大小与掩模板上的圆孔大小一致，该掺杂区的一半圆具有离子高掺特性，另一半圆具有掺杂离子浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点；当行进的激光经过激光整形装置后，产生的半圆形激光束光强具有从圆心向径向边缘递减的分布特点；当半圆形激光束作用于光波导后，获得严格规则的球形凹面，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，根据所制备的球形凹面镜的尺寸选择合适的激光圆形，通过一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板来实现圆形激光束，圆形激光束各点光强相同。
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，在掩膜板的圆孔处紧贴一块不同离子浓度掺杂的特殊玻璃，这块特殊玻璃的掺杂区域形状为圆形，其大小与掩膜板上的圆孔大小一致，玻璃离子掺杂具有如下特点：圆形区域一半圆具有离子高掺特性，使透射的光很弱(其光强小于能够刻蚀光波导的阈值)或者完全不透光，而另一半圆具有掺杂离子浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点。
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，确定离子掺杂玻璃半圆区域分布函数，如下：在相同的刻蚀时间下，根据所制备的球形凹面镜各点的刻蚀深度，决定这一点的刻蚀激光光强，从而进一步确定能够产生这种激光光强大小的玻璃掺杂浓度，由于球形凹面镜具有圆对称性，这一玻璃半圆具有掺杂离子浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点，其具体分布函数可由实验数据拟合得到。
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，激光束通过激光整形装置后获得一个半圆形、光强大小由圆心沿径向逐步递减的激光束，对光波导进行刻蚀获得一个严格规则的球形凹面，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
与现有的技术相比，本发明具有显而易见的优势是：
由于技术的限制，现有制备的凹面镜大多是一种类球形凹面，并非严格的球形凹面。本发明提供的一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，通过在玻璃上掺杂一定浓度分布的离子，来获得一个半圆形、光强大小由圆心沿径向逐步递减的激光束，从而刻蚀光波导制备严格规则的球形凹面镜。此方法具有原理简单，成本低、可控性强等优点，同时，所制备的球形凹面比类球形凹面对光汇聚效果更好，提高了光纤-光波导的垂直耦合效率。
附图说明
图1为本发明提出的一种激光冷加工制备球形凹面镜的过程示意图。
图2A为掩模板的结构示意图，图2B为特殊玻璃圆形离子掺杂分布示意图。
图3为通过激光整形装置后所产生的具有光强特定分布的半圆形激光束结构示意图。
图4为具体确定玻璃掺杂离子浓度分布的流程示意图。
图5为在光波导上制备的球形凹面示意图。
具体实施方式
本发明提出一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，目的是获得严格规则的球形凹面，相对现有的技术所制备的类球形凹面镜，能够进一步降低光纤-光波导的垂直耦合损耗。图1为本发明所提出的在光波导上制备严格规则的球形凹面镜装置示意图，其核心部件为一激光整形装置。下面结合具体的实施例和附图对本发明作进一步的详细说明。
实施例一：
参见图1～图5，本实施例基于一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜。采用的制备设备核心部件主要是激光整形装置，该激光整形装置主要由一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板及一块紧贴在掩模板圆孔处的不同离子浓度掺杂的特殊玻璃组成；激光通过掩模板产生圆形激光束；这块特殊玻璃的掺杂区域其大小与掩模板上的圆孔大小一致，该掺杂区的一半圆具有离子高掺特性，另一半圆具有掺杂离子浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点；当行进的激光经过激光整形装置后，产生的半圆形激光束光强具有从圆心向径向边缘递减的分布特点；当半圆形激光束作用于光波导后，获得严格规则的球形凹面，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：根据所制备的球形凹面镜的尺寸选择合适的激光圆形，通过一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板来实现圆形激光束，圆形激光束各点光强相同。
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：在掩模板的圆孔处紧贴一块不同离子浓度掺杂的特殊玻璃，这块特殊玻璃的掺杂区域形状为圆形，其大小与掩模板上的圆孔大小一致，离子掺杂具有如下特点：圆形区域一半圆具有离子高掺特性，使透射的光很弱——其光强小于能够刻蚀光波导的阈值，或者完全不透光，而另一半圆具有离子掺杂浓度从圆心向径向边缘按照一定的函数关系递增的分布特点。
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：具体确定离子掺杂玻璃半圆区域分布函数如下：在相同的刻蚀时间下，根据所制备的球形凹面镜各点的刻蚀深度，决定此点的刻蚀激光光强，从而进一步确定能够产生这种激光光强大小的玻璃掺杂浓度，由于球形凹面具有圆对称性，这一玻璃半圆具有离子掺杂浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点，其具体分布函数可由实验数据拟合得到。
所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：通过激光整形装置获得一个光强大小由圆心沿径向逐步递减的半圆形激光束，对光波导刻蚀获得一个严格规则的球形凹面，球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
实施例三：
在光波导上制备球形凹面镜主要利用激光整形装置来实现的，激光束通过激光整形装置，激光整形装置主要由掩模板2及离子掺杂的特殊玻璃3组成，当激光1透过激光整形装置后，可产生激光光强具有一定规律分布的半圆形激光束4，这个半圆形激光束直接刻蚀光波导5，形成严格规则的球形凹面，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
参见图2，掩模板材质具有不透光性，带有圆孔6，圆孔半径与所制备的球形凹面半径相等，激光光束透过圆孔后形成光强均匀分布的圆形激光光束；紧贴于掩膜板后的为一块掺杂玻璃3，掺杂区域为圆形激光光束所照射的玻璃圆形区域，其大小与掩膜板上的圆孔大小一致，玻璃掺杂分布特点如下：玻璃圆形区域的一半圆7具有离子高掺特性，使透射的光强很弱(远远小于能够刻蚀光波导的阈值)或者完全不透光，而另一半圆8具有离子浓度掺杂从圆心向径向边缘递增的分布特点，不同浓度的离子掺杂，对光的吸收也不相同。
参见图3，当行进的激光经过掩模板圆孔及掺杂玻璃后，形成光强具有从圆心向径向边缘递减分布的半圆形激光束4。当这个半圆形激光光束作用于波导样品后，光强大的激光刻蚀光波导深度深，光强小的激光刻蚀光波导深度浅。通过精确控制玻璃圆形区域各点离子掺杂浓度，可精确控制半圆形激光束的光强分布。
参见图4，对玻璃圆形区域各点的离子掺杂浓度可通过一下方法获得：拟在光波导5上刻蚀半径为R的球形凹面，圆形区域各点具有圆对称性，因此只要确定径向线上各点的深度即可。以球形凹面径向线上O点(圆心)、A点及B点为例，需要刻蚀的深度分别为hO(＝R)、hA及hB，在刻蚀时间t下，所刻蚀O点的光强为IO，即通过离子掺杂玻璃3后产生的半圆形光束4圆心O点的光强也为IO，可以达到刻蚀深度hO，进而可实验确定O点的掺杂浓度NO；同理，获得玻璃掺杂半圆形8区域A及B点的掺杂浓度分别为NA及NB；以此类推，获得玻璃半圆形区域各点的离子掺杂浓度。
参见图5，半圆形激光刻蚀光波导5后获得严格规则的球形凹面9，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
以上所述为进一步结合本发明的实施思想与实施方式所作的详细说明，并非因此限制本发明的专利范围，凡利用本发明说明书及附图所作的等效结构或等效思想，做出简单推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：采用的制备设备核心部件主要是激光整形装置，该激光整形装置主要由一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板及一块紧贴在掩模板圆孔处的不同离子浓度掺杂的特殊玻璃组成；激光通过掩模板产生圆形激光束；这块特殊玻璃的掺杂区域其大小与掩模板上的圆孔大小一致，该掺杂区的一半圆具有离子高掺特性，另一半圆具有掺杂离子浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点；当行进的激光经过激光整形装置后，产生的圆形或半圆形激光束，圆形激光束中的一半圆形光强及半圆形激光束光强都具有从圆心向径向边缘递减的分布特点；当上述圆形或半圆形激光束作用于光波导后，获得严格规则的球形凹面，对球形凹面镀金属膜或介质高反射膜，形成球形凹面反射镜。
2.如权利要求1所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：根据所制备的球形凹面镜的尺寸选择合适的激光圆形，通过一块不透光、带有圆孔、可以漏出圆形光束的掩模板来实现圆形激光束，圆形激光束各点光强相同。
3.如权利要求1所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：在掩模板的圆孔处紧贴一块不同离子浓度掺杂的特殊玻璃，这块特殊玻璃的掺杂区域形状为圆形，其大小与掩模板上的圆孔大小一致，离子掺杂具有如下特点：圆形区域一半圆具有离子高掺特性，使透射的光很弱——其光强小于能够刻蚀光波导的阈值，可产生圆形激光束，或者完全不透光，可产生半圆形激光束；而另一半圆具有离子掺杂浓度从圆心向径向边缘按照一定的函数关系递增的分布特点。
4.如权利要求1所述一种基于激光冷加工在光波导上制备球形凹面镜的方法，其特征在于：具体确定离子掺杂玻璃半圆区域分布函数如下：在相同的刻蚀时间下，根据所制备的球形凹面镜各点的刻蚀深度，决定此点的刻蚀激光光强，从而进一步确定能够产生这种激光光强大小的玻璃掺杂浓度，由于球形凹面具有圆对称性，这一玻璃半圆具有离子掺杂浓度从圆心向径向边缘递增的分布特点，其具体分布函数可由实验数据拟合得到。
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