CN111474622A - 一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法 - Google Patents

一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法 Download PDF

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Abstract

一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，该方法基于超快激光选择性湿法刻蚀在透明材料内部制备出三维微通道，然后在微通道内填充导波材料，形成三维光波导。通过制作不同空间构型的微通道结构，能够实现多种功能性光波导器件的可控制备。相比于传统的光波导制备方法，该方法具有如下技术优势：通过灵活选取填充材料，能够实现近红外、中红外波段波导、偏振无关波导和有源波导器件的高质量制备，而且光波导模场灵活可控，可具有较小的弯曲半径；结合超快激光加工的三维特性，可以在芯片上高密度集成复杂的三维光子回路。因此，该方法在光通信网络、光互连、天文光子学、微流控芯片等领域具有重要的应用价值。

Description

一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法
技术领域
本发明涉及集成光波导制备技术和集成光波导器件领域以及超快激光微纳加工领域，特别是利用超快激光在透明材料内部制备三维光波导及光子器件结构的方法。
背景技术
光波导制备技术是一项应用性极强的技术。为了实现对光的传输和操控，基于不同的材料，人们发展出各种光波导制备技术。利用光波导可制成各种特性的光波导器件，将光波导和光波导器件集成可构成有特定功能的集成光路。然而，当前的制备技术制作的光波导大多是平面二维光波导，适用材料受限、应用范围较窄、制作工艺复杂。
超快激光是当今激光科学技术的研究前沿，近年来在微纳加工应用方面快速发展。超快激光能够深入到透明材料内部，实现真正意义上的三维加工，而且加工精度高，热效应小。作为一项先进、精密的微纳加工工具，超快激光能够在透明材料内部制备微光学元件与微流通道等微结构，对材料进行高精度烧蚀，在材料表面形成多种功能性修饰结构。这些技术特点，使其成为诸多领域内器件微型化、集成化的有力工具。例如，在化学、光子学等前沿领域中，采用超快激光微纳加工技术可以制备微流控生化芯片、光子芯片。飞秒激光脉冲能够在透明电介质材料内直接诱导出光波导，实现类似于光纤的导波能力。该技术能够轻松制备任意构型的三维光波导，与微流体、微电极、微机械等在芯片上集成，能够解决许多平面光波导技术无法胜任的工作，在光通信、天文光子学、微流体芯片、量子信息等领域产生了崭新的重要应用。自1996年K. M. Davis等人发现利用飞秒激光可以在透明电介质材料内直接诱导出光波导结构以来，国内外研究小组对飞秒激光直写光波导材料、直写方式进行了大量的研究（参见文献：Davis K M, Miura K,et al.,Opt.Lett., Vol.21:P1729,1996）。飞秒激光直写光波导主要有由改性区域折射率增加作为芯层形成的第I类波导或者由改性区域折射率降低作为包层形成的第II类波导。在熔石英玻璃等重要的光学材料中获得的第I类光波导折射率改变在10-3~10-4范围，而且存在偏振依赖性。第II类光波导，需要多次直写波导包层，加工复杂。虽然飞秒激光直写光波导技术经过大量的研究，但是目前仍存在很多瓶颈性问题，例如，折射率改变有限、模场不易操控等（参见文献：Liu ZM, Liao Y, et al.,Sci. China. Phys. Mech.Vol.61:P 070322,2018）。这大大限制了超快激光直写在芯片上高密度三维集成光子操控单元的能力，也限制了该项技术在多个领域的实际应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有的飞秒激光直写光波导技术制备的光波导折射率改变有限、弯曲半径较大、模场大小难以控制，以及现有的主要光波导制备技术只能制备平面二维光波导等缺点，而提出的一种利用超快激光在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的新方法。
实现本发明目的的具体技术方案是：
本发明公开了一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其包括：
步骤1、超快激光辐照：取一透明材料样品，将其固定放置在可计算机编程的三维位移平台上，通过显微物镜将超快激光聚焦到样品内部，利用三维平台驱动样品移动；超快激光对样品空间选择性改性，直写加工出通道图案；所述通道图案由微通道和辅助通道构成，辅助通道连接微通道与样品上表面且等间距均匀地分布在微通道上；其中，在直写加工微通道图案时，对超快激光空间光束整形或控制激光功率变化，从而形成不同截面形状和大小的微通道；
步骤2、化学腐蚀：将超快激光辐照后的透明材料样品放入化学腐蚀溶液中，对所述的通道图案进行化学腐蚀，直至所有通道完全腐蚀贯通，制得具有三维几何构型的微通道结构；
步骤3、导波材料填充：采用压力驱动装置将导波材料作为波导芯层介质引入所述微通道结构内，在微通道中充满导波材料，制得三维光波导和光子器件结构。
在一些实施方式中，在微通道结构制备完毕后，采用高温炉退火、氢氧焰加热、二氧化碳激光抛光、干法刻蚀或磨粒流抛光，降低微通道内表面粗糙度。
在一些实施方式中，在微通道结构制备完毕后，采用聚合物薄膜聚二甲基硅氧烷（PDMS）键合或二氧化碳激光熔融法，将辅助通道密封。
其中，透明材料样品为玻璃、晶体或透明聚合物。
其中，超快激光的脉冲宽度范围为10 fs-100 ps。
其中，化学腐蚀溶液为2wt%-20wt%的氢氟酸溶液、20wt%-50wt%、80-90℃的氢氧化钾溶液、20wt%-50wt%的磷酸溶液。
其中，压力驱动装置为注射器、注射泵、蠕动泵或柱塞泵。
其中，导波材料为折射率高于透明材料样品本体的液体或者固体；液体包括离子盐溶液、有机溶液或液晶；有机溶液包括石蜡油、1-溴代萘及其混合物；固体包括聚合物、固态电介质材料；聚合物包括聚全氟丁烯基乙烯基醚（PBVE）、聚四氟乙烯（PTFE）；固体电介质包括二氧化硅（SiO2）及掺杂GeO2、P2O5或B2O3掺杂剂的二氧化硅（SiO2）；其中，通过将聚合物溶解到溶剂中、固体加热至熔点，引入微通道。
其中，光子器件结构由光波导与光波导分束结构、光波导耦合结构或光波导模场转换结构构成；光子器件结构包括杨氏干涉计、3dB分束器、定向耦合器、多模干涉耦合器、模场转换器、微环谐振腔、光波导光栅、马赫-曾德尔干涉仪、光波导波分复用器以及这些结构的衍生体和组合体。
在一些实施方式中，在光波导和光子器件结构制备完毕后，在样品中集成微电极、微加热器或微光学结构，增加光子调控功能。
本发明有益效果
相比现有波导制备技术，本发明具有以下显著技术优势：
1、 通过灵活选取微通道内的填充材料，可在电磁波波段实现宽谱导波，并能实现对近红外、中红外波段波导的高质量制备；
2、 通过选取光学各向同性的填充材料，可以制备偏振无关的光波导；
3、 通过调控超快激光微加工过程控制微通道结构，可实现光波导模场灵活可控转换，从而有效减小器件的损耗，同时，制备的光子器件能够与光纤等其他类型的光波导耦合兼容；
4、 选取高折射率的导波材料，可实现导波的更有效约束，容许制备曲率半径很小的波导结构，从而提高集成度，也更易于微型化；
5、 通过在填充材料内掺杂离子，可实现有源波导器件的制备，而且，相比于在掺杂玻璃内利用超快激光诱导得到的光波导，掺杂浓度更易于控制，制备的光波导能够在更短的波导长度范围内实现某些光学效应；
6、 相比于平面光波导制备技术，通过借助于超快激光加工的三维特性，可以实现芯片上复杂光子回路的三维集成制备。
附图说明
图1为本发明优选实施例中三维光波导结构的制备工艺流程图；
图2为本发明方法制备的微通道结构的三维示意图；
图3为本发明方法制备的微通道结构的前视图；
图4为本发明方法制备的光波导模场转换器结构的三维示意图；
图5为本发明方法制备的光波导分束器结构的三维示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种利用超快激光在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其包括：
步骤1、将透明材料样品固定放置在三维可移动的加工平台上，通过显微物镜将超快激光聚焦到样品内部，利用三维平台驱动样品移动，实现激光在样品中的空间选择性改性，从而获得样品内部通道图案的直写加工。为确保后续化学腐蚀过程获得直径均匀可控的微通道，在激光直写不同构型的微通道图案的同时加工连接样品上表面和微通道图案的一系列等间距均匀分布的竖直辅助通道图案。其中，透明材料样品为玻璃、晶体或透明聚合物，超快激光的脉冲宽度范围为10 fs-100 ps；
步骤2、将激光辐照后的样品放入腐蚀液中腐蚀，直至微通道腐蚀通为止。经激光改性结构的腐蚀速率远远高于本体材料的腐蚀速率，腐蚀液经由腐蚀通的辅助通道进入微通道，加快微通道腐蚀速率，并使微通道沿长度方向均匀。其中，化学腐蚀溶液为2wt%-20wt%的氢氟酸溶液、20wt%-50wt%、80-90℃的氢氧化钾溶液或20wt%-50wt%的磷酸溶液；
步骤3、通过压力驱动装置将导波材料作为波导芯层介质引入化学腐蚀后的微通道内，实现导波材料在微通道中的均匀性可控填充，进而实现三维光波导和光子器件结构的制备。其中，压力驱动装置为注射器、注射泵、蠕动泵或柱塞泵。导波材料为折射率高于透明材料样品本体的液体或者固体；液体包括离子盐溶液、有机溶液或液晶；有机溶液包括石蜡油、1-溴代萘及其混合物；固体包括聚合物、固态电介质材料；聚合物包括聚全氟丁烯基乙烯基醚（PBVE）、聚四氟乙烯（PTFE）；固体电介质包括二氧化硅（SiO2）及掺杂GeO2、P2O5或B2O3掺杂剂的二氧化硅（SiO2）；通过将聚合物溶解到溶剂中、固体加热至熔点，引入微通道。
在一些实施方式中，为了降低制备光波导的传输损耗，在微通道结构制备完毕后，减小微通道内表面的粗糙度。其中，减小微通道内表面粗糙度的方法包括高温炉退火、氢氧焰加热、二氧化碳激光抛光、干法刻蚀或磨粒流抛光。
在一些实施方式中，为了改善光波导的制备质量，在微通道结构制备完毕后，将辅助通道密封。其中，辅助通道密封方法包括用聚合物薄膜聚二甲基硅氧烷（PDMS）键合或二氧化碳激光熔融密封。
图1示出了本发明优选实施例中三维光波导的制备工艺流程示意图。如图1所示，该方法包括：
步骤1，超快激光6在透明材料样品1中直写通道图案；其中，通道图案由微通道2和辅助通道3构成，辅助通道连接微通道与样品上表面且等间距均匀地分布在微通道上；
步骤2，将直写完成后的样品放入化学腐蚀液7中腐蚀，直至所有通道完全腐蚀贯通；
步骤3，将腐蚀后的样品放到高温炉8中退火，降低微通道内表面粗糙度；
步骤4，采用二氧化碳激光熔融密封分布在微通道上的辅助通道3；
步骤5，采用注射泵往微通道内填充导波材料，直至微通道中充满导波材料，形成光波导9。
图2示出了利用本发明所提出的方法制备的三维光波导的三维示意图。如图2所示，采用狭缝整形的超快激光光束直写得到的微通道2截面为圆形，微通道距离上表面距离为dch。沿着微通道每隔距离l，有一个辅助通道3，辅助通道截面远远小于微通道截面大小，长度是dch。化学腐蚀样品时，辅助通道首先被腐蚀通，腐蚀液经由辅助通道3进入微通道2内，对微通道2进行腐蚀，使微通道2沿长度方向均匀。图3示出了利用本发明所提出的方法制备三维光波导的前视图。
本发明通过上述制备方法，可以制备出由三维光波导组成的光子器件结构，如杨氏干涉计、3dB分束器、定向耦合器、多模干涉耦合器、模场转换器、微环谐振腔、光波导光栅、马赫-曾德尔干涉仪、光波导波分复用器以及这些结构的衍生体和组合体。
图4示出了利用本发明所提出的方法制备的光波导模场转换器结构的三维示意图。在光波导制备过程中，通过设计微通道的加工图案，分段制备微通道，然后在每段微通道内填充不同折射率的导波材料，实现光波导模场灵活转换。如图4（A）与图4（B）所示的模场转换器结构，由三段彼此靠近且在一条直线上的微通道2构成。在每段微通道的两端有两个连接微通道的表面微槽4，作为填充导波材料的输入输出端口。采用注射泵连接表面微槽4，向微通道内填充高折射率的油作为导波材料，每段微通道内只填充一种折射率的油。从左到右，三段微通道内填充油的折射率不断减小。图4（A）中微通道横截面5为圆形,每段微通道横截面的直径线性增加，其纵向剖面都是具有一定的锥度的锥形，形成单模光波导的导模均匀变化，三段光波导一段一段相连逐步放大模场。对激光进行空间光束整形或者控制直写激光功率变化，可以灵活控制微通道的横截面形状和大小。如图4（B）所示的模场转换器构型，其微通道横截面5为椭圆形，能够逐渐将输入的圆形光波导模场转换成椭圆形模场。其有益效果是，通过制备这些光波导模场转换器结构，能够在芯片上灵活集成模场转换功能，制备的光子器件能够与光纤等其他类型的光波导耦合兼容。
图5示出了利用本发明所提出的方法制备的光波导分束器结构的三维示意图。在光波导制备过程中，通过计算机编程控制微通道的直写轨迹，加工出具有复杂图案的微通道结构。如图5所示，从左向右，微通道图案经过两次分束，由最初的一条路径形成四条输出端路径。填充导波材料后，实现1×4的光波导分束器结构的制备。
以上结合流程图对本发明的实施方式作了说明，但不应以此限制本发明的保护范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤1）超快激光辐照
取一透明材料样品，将其固定放置在可计算机编程的三维位移平台上，通过显微物镜将超快激光聚焦到样品内部，利用三维平台驱动样品移动；超快激光对样品空间选择性改性，直写加工出通道图案；所述通道图案由微通道和辅助通道构成，辅助通道连接微通道与样品上表面且等间距均匀地分布在微通道上；其中，在直写加工微通道图案时，对超快激光空间光束整形或控制激光功率变化，从而形成不同截面形状和大小的微通道；
步骤2）化学腐蚀
将超快激光辐照后的透明材料样品放入化学腐蚀溶液中，对所述的通道图案进行化学腐蚀，直至所有通道完全腐蚀贯通，制得具有三维几何构型的微通道结构；
步骤3）导波材料填充
采用压力驱动装置将导波材料作为波导芯层介质引入所述微通道结构内，在微通道中充满导波材料，制得三维光波导及光子器件结构。
2.根据权利要求 1 所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，在微通道结构制备完毕后，采用高温炉退火、氢氧焰加热、二氧化碳激光抛光、干法刻蚀或磨粒流抛光，降低微通道内表面粗糙度。
3.根据权利要求 1 所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，在微通道结构制备完毕后，采用聚合物薄膜聚二甲基硅氧烷即PDMS键合或二氧化碳激光熔融法，将辅助通道密封。
4.根据权利要求1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的透明材料样品为玻璃、晶体或透明聚合物。
5.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的超快激光的脉冲宽度范围为10 fs-100 ps。
6.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的化学腐蚀溶液为2-20wt%的氢氟酸溶液、20-50wt%、80-90℃的氢氧化钾溶液或20-50wt%的磷酸溶液。
7.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的压力驱动装置为注射器、注射泵、蠕动泵或柱塞泵。
8.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的导波材料为折射率高于透明材料样品本体的液体或者固体；液体包括离子盐溶液、有机溶液或液晶；所述的有机溶液包括石蜡油、1-溴代萘及其混合物；固体包括聚合物、固态电介质材料；所述的聚合物包括聚全氟丁烯基乙烯基醚即PBVE、聚四氟乙烯即PTFE；所述的固体电介质包括二氧化硅及掺杂GeO2、P2O5或B2O3的二氧化硅；其中，通过将聚合物溶解到溶剂中、固体加热至熔点，引入微通道。
9.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述光子器件结构由光波导与光波导分束结构、光波导耦合结构或光波导模场转换结构构成；所述光子器件结构包括杨氏干涉计、3dB分束器、定向耦合器、多模干涉耦合器、模场转换器、微环谐振腔、光波导光栅、马赫-曾德尔干涉仪、光波导波分复用器以及这些结构的衍生体和组合体。
10.根据权利要求1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，在光波导和光子器件结构制备完毕后，在样品中集成微电极、微加热器或微光学结构，增加光子调控功能。
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