CN112965171A - 光纤准直器制作方法 - Google Patents

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CN112965171A CN202110160994.3A CN202110160994A CN112965171A CN 112965171 A CN112965171 A CN 112965171A CN 202110160994 A CN202110160994 A CN 202110160994A CN 112965171 A CN112965171 A CN 112965171A
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张永瑛
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Abstract

本申请公开了一种光纤准直器制作方法，包括：获取目标相位分布；根据所述目标相位分布得到纳米柱分布图；对光纤进行切割处理，在物镜上滴光刻胶，并将所述光纤的端部浸入到光刻胶中；根据所述纳米柱分布图对所述光刻胶进行曝光处理，对未被曝光处理的部分光刻胶进行清除，以在所述光纤的端部形成超表面结构；其中，所述超表面结构包括衬底、设置于所述衬底表面的纳米柱，所述衬底与所述光纤耦合连接，所述纳米柱设置于所述衬底远离所述光纤一侧。该方法通过在光纤端面设置超表面结构，以制作满足微尺寸的光纤准直器，从而使得光纤系统更加轻薄化、高度集成化。

Description

光纤准直器制作方法
技术领域
本申请涉及光器件制造技术领域，尤其是涉及一种光纤准直器制作方法。
背景技术
相关技术中，通过在光纤的端面设置微结构，以制作用于对光束进行准直。
然而，通过现有制作方式所制作的光器件尺寸过大，无法达到满足光纤系统的轻薄化、高度集成化的需求。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种光纤准直器制作方法，通过在光纤端面设置超表面结构，以制作满足微尺寸的光纤准直器，从而使得光纤系统更加轻薄化、高度集成化。
根据本申请的第一方面实施例的光纤准直器制作方法，包括：
获取目标相位分布；
根据所述目标相位分布得到纳米柱分布图；
对光纤进行切割处理，在物镜上滴光刻胶，并将所述光纤的端部浸入到光刻胶中；
根据所述纳米柱分布图对所述光刻胶进行曝光处理，对未被曝光处理的部分光刻胶进行清除，以在所述光纤的端部形成超表面结构；
其中，所述超表面结构包括衬底、设置于所述衬底表面的纳米柱，所述衬底与所述光纤耦合连接，所述纳米柱设置于所述衬底远离所述光纤一侧。
根据本申请实施例的光纤准直器制作方法，至少具有如下有益效果：通过在光纤端面设置超表面结构，以制作满足微尺寸的光纤准直器，从而使得光纤系统更加轻薄化、高度集成化。通过光刻胶曝光处理，以使得光刻胶发生聚合，并形成预设的超表面结构。
根据本申请的一些实施例，所述获取目标相位分布包括：对所述光纤的高斯光束进行近似处理，得到基模高斯光束；根据所述基模高斯光束位于所述衬底端面的相位分布，得到初始相位分布；对所述初始相位分布进行负值处理，以得到所述目标相位分布。
根据本申请的一些实施例，所述根据所述目标相位分布，得到纳米柱分布图，包括：
对纳米柱的尺寸进行扫描，以得到八种不同尺寸的所述纳米柱；
根据所述目标相位分布对所述纳米柱的位置进行排布处理，得到所述纳米柱分布图。
根据本申请的一些实施例，所述对光纤进行切割处理，在物镜上滴光刻胶，并将所述的光纤端部浸入到光刻胶中，包括：
对所述光纤进行切割端部，以使所述光纤的端面与所述光纤的延伸方向相互垂直。
根据本申请的一些实施例，所述根据所述纳米柱分布图对所述光刻胶进行曝光处理，包括：
对所述光刻胶进行第一阶段曝光处理，以制作衬底；
根据所述纳米柱分布图对所述光刻胶进行第二阶段曝光处理，以在所述衬底的表面上制作所述纳米柱。
根据本申请的一些实施例，所述对未被曝光处理的所述光刻胶进行清除，以形成间隔设置的纳米柱，还包括：
通过显影液对未被曝光处理的所述光刻胶进行清洗处理，以形成多个间隔设置的所述纳米柱；
其中，所述纳米柱的分布位置与所述目标相位分布相对应。
根据本申请的一些实施例，对所述纳米柱的尺寸进行扫描，以得到八种不同尺寸的所述纳米柱，包括：
对单位相位周期进行等分以得到八个子相位值，根据所述子相位值对纳米柱的尺寸进行对应设置。
根据本申请的一些实施例，对单位相位周期进行等分以得到八个子相位值，根据所述子相位值对纳米柱的尺寸进行对应设置。所述八个子相位值包括
Figure BDA0002936613530000021
Figure BDA0002936613530000022
及
Figure BDA0002936613530000023
根据本申请的一些实施例，所述纳米柱包括第一纳米柱、第二纳米柱、第三纳米柱、第四纳米柱、第五纳米柱、第六纳米柱、第七纳米柱、第八纳米柱；
所述第一纳米柱的长为279nm，宽为333nm；所述第二纳米柱的长为319nm，宽为333nm；所述第三纳米柱的长为158nm，宽为171nm；所述第四纳米柱的长为198nm，宽为198nm；所述第五纳米柱的长为279nm，宽为198nm；所述第六纳米柱的长为279nm，宽为239nm；所述第七纳米柱的长为292nm，宽为279nm；所述第八纳米柱的长为305nm，宽为319nm。
根据本申请的一些实施例，所述纳米柱的分布位置与所述目标相位分布相对应，包括：
所述目标相位分布包括至少两个环形相位区域，所述环形相位区域同心设置。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
下面结合附图和实施例对本申请做进一步的说明，其中：
图1为本申请实施例光纤准直器制作方法的流程图；
图2为本申请实施例光纤准直器制作方法的流程图；
图3为本申请实施例一种超表面结构的结构图；
图4为本申请实施例一种光纤准直器的结构图；
图5为本申请实施例一种纳米柱的结构分布图；
图6为本申请实施例又一种纳米柱的结构分布图；
图7为本申请实施例又一种纳米柱的结构分布图；
图8为本申请实施例又一种纳米柱的结构分布图；
图9为本申请实施例纳米柱实现的相位及透射率的示意图；
图10为本申请实施例光纤准直器的效果仿真图。
附图标记：110、纳米柱；120、衬底；200、光纤。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本申请中的具体含义。
本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
超表面：排布有金属/电介质亚波长结构阵列的超薄平面器件。
相关技术中，一般通过在光纤的端面设置微结构，以制作对光束进行准直的光学器件。然而，通过现有制作方式所制作的光器件尺寸过大，无法达到满足光纤系统对轻薄化、高度集成化的需求。
基于上述问题，本申请提供一种光纤准直器制作方法，通过在光纤200端面设置超表面结构，以制作满足微尺寸的光纤准直器，从而使得光纤系统更加轻薄化、高度集成化。
请参照图1、图3、图4，本申请提供一种光纤准直器制作方法，包括：步骤S100、获取目标相位分布；步骤S200、根据目标相位分布得到纳米柱分布图；步骤S300、对光纤进行切割处理，在物镜上滴光刻胶，并将光纤的端部浸入到光刻胶中；步骤S400、根据纳米柱分布图对光刻胶进行曝光处理，对未被曝光处理的部分光刻胶进行清除，以在光纤200的端面制作超表面结构；其中，超表面结构包括衬底120、设置于衬底120表面的纳米柱110，衬底120与光纤200耦合连接，纳米柱110设置于衬底120远离光纤200一侧。
通过获取基模高斯光束在衬底端面的相位分布，以得到初始相位分布。对初始相位分布进行负值处理，以得到目标相位分布。目标相位分布用于对光纤200端面的超表面结构中的纳米柱110位置进行调配。通过对不同尺寸的纳米柱110进行排列组合，以形成纳米柱阵列。通过纳米柱阵列对衬底端面的相位分布进行调节，以得到准直光束。此外，通过在光纤200的端部形成超表面结构以制作光纤准直器，有利于光器件的精细化。
进一步地，将目标相位分布划分成不同的相位区域，并设置对应尺寸的纳米柱110。根据目标相位分布对纳米柱110的分布位置进行排布，以得到具有准直效果的纳米柱阵列。对纳米柱阵列各个纳米柱110的位置进行记录，以得到纳米柱分布图。
其中，通过对光纤200进行切割处理，以使得光纤200端部具有平滑的端面。在物镜上滴光刻胶，并将所述的光纤200端部浸入到光刻胶中以使得光刻胶包裹光纤200的端面。根据纳米柱分布图对光刻胶进行固化，以使得部分发生聚合，从而形成超表面结构中的衬底120、衬底120表面上的纳米柱110。通过对未被曝光处理的部分光刻进行清除，以使光纤200的端面仅保留有超表面结构。
请参照图2至图8，在一些实施例中，步骤S100、获取目标相位分布包括：步骤S110、对光纤200的高斯光束进行近似处理，得到基模高斯光束；步骤S120、根据基模高斯光束于衬底的端面的相位分布，得到初始相位分布；步骤S130、对初始相位分布进行负值处理，以得到目标相位分布。
以工作波长为633nm的单模光纤200(SM600NA＝0.13)为例，在该单模光纤200的端面制作超表面结构。
可以理解的是，该单模光纤200为阶跃折射率光纤200，通过全反射机制的方式进行光束传输。而阶跃折射率光纤200的光束可以由基模高斯光束近似，且高斯光束腰位置在光纤200端面。
其中，基模高斯光束的电场可以表示为：
Figure BDA0002936613530000051
其中，
Figure BDA0002936613530000052
为幅度部分，
Figure BDA0002936613530000053
为相位部分。
进一步地，
Figure BDA0002936613530000054
Figure BDA0002936613530000055
Figure BDA0002936613530000056
ωz为基模高斯光束在与光传方向相垂直的固定位置z处的光束半径。当z＝0时，光束半径为ω0，称为束腰半径；R(z)为与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位面的曲率半径；Z0为瑞利长度，表示从光束腰到光斑半径增加到束腰的
Figure BDA0002936613530000057
倍处的位置的长度。
波长λ＝633nm，光纤200端面的束腰半径为2.2μm。
为了使超表面结构具有足够的空间和面积控制光束的相位与振幅，通过在光纤200端面设计了一定厚度的衬底120。在光纤中，光束主要被限制在纤芯区域内，光经过衬底120后主要被限制在衬底120端面的光束半径ωz以内。
故，设计的超表面尺寸与衬底120端面的光束半径ωz大小相同，以确保引导光束模式与整个超表面交互。其中，根据基模高斯光束于光纤200的端面的相位分布，得到初始相位分布；对初始相位分布进行负值处理，以得到目标相位分布。即，目标相位分布可使由超表面的出射的光束具有平坦的波前，以对光束进行准直处理。可以理解的是，经由超表面结构出射到的光束为准直光束。进一步地，通过对衬底的厚度进行调节，以调节光束半径ωz。
在一些实施例中，步骤S200、根据目标相位分布得到纳米柱分布图，包括：步骤S210、对纳米柱的尺寸进行扫描，以得到八种不同尺寸的纳米柱110；步骤S220、根据目标相位分布对纳米柱的位置进行排布处理，得到纳米柱分布图。
由于不同尺寸的纳米柱110可对应不同的相位调节效果，对纳米柱110的尺寸进行扫描，以使得到不同尺寸的纳米柱110。通过对纳米柱110的位置排布进行设置，以得到准直效果。
在一些实施例中，对光纤200进行切割处理，在物镜上滴光刻胶，并将光纤200端部浸入到光刻胶中，包括：对光纤200进行切割端部，以使光纤200的端面与光纤200的延伸方向相互垂直。
对光纤200进行切割处理包括对光纤200的端部进行切割，以使得光纤200的端面与光纤200的延伸方向相互垂直。可理解的是，超表面结构包括：衬底120、设置于衬底120远离光纤200端面一侧的多个纳米柱110。通过使得光纤200端面与光纤200的延伸方向相互垂直，以利于实现准直功能。
在一些实施例中，在步骤S400中根据纳米柱分布图对光刻胶进行曝光处理，包括：步骤S410、对光刻胶进行第一阶段曝光处理，以制作衬底120；步骤S420、根据纳米柱分布图对光刻胶进行第二阶段曝光处理，以在衬底120的表面上制作纳米柱110。
如图所示，超表面结构包括：衬底120、设置于衬底120远离光纤200端面一侧的多个纳米柱110。
通过双光子聚合3D打印技术在单模光纤200端面直接制备准直超表面结构。其中，这种技术是利用近红外光谱区的飞秒激光脉冲在紫外敏感的光刻胶中产生双光子吸收，而高光强的飞秒激光在进行双光子聚合时，只有聚焦光斑中心区域发生双光子聚合反应，因此光刻胶聚合成型的尺寸远小于光斑尺寸，从而实现超衍射纳米加工。
以下，以双光子聚合3D打印系统(Photonic Professional GT，Nanoscribe GmbH)对光刻胶进行曝光处理为例。
在物镜上沉积一滴光刻胶，并利用带V型槽的标准光纤支架将切割后的单模光纤200与激光直写系统直接连接，将光纤200端面浸入光刻胶中。
其次，通过对单模光纤200的背面照明，并使用CCD观察光纤200的端面，使光纤200纤芯对准激光直写光束，使纤芯完全居中。
然后，将超表面所对应的目标相位分布转换为STL格式的代码，利用计算机执行上述代码，控制平台按照预定轨迹运动的同时控制光路开关，使确定位置处的光刻胶发生双光子聚合。
在一些实施例中，对未被曝光处理的光刻胶进行清除，以形成间隔设置的纳米柱110，还包括：通过显影液对未被曝光处理的光刻胶进行清洗处理，以形成多个间隔设置的纳米柱110；其中，纳米柱110的分布位置与目标相位分布相对应。
通过显影液对未被曝光处理的光刻胶进行清洗处理，以清除未被曝光处理的光刻胶。通过双光子聚合3D打印系统对光刻胶中的预设位置进行曝光，并使用显影液对未被曝光处理的光刻胶进行清洗，以进行显影处理，从而获得预设的超表面结构。
在一些实施例中，对纳米柱的尺寸进行扫描，以得到八种不同尺寸的纳米柱，包括：对单位相位周期进行等分以得到八个子相位值，根据子相位值对纳米柱110的尺寸进行对应设置。
请参照图3、图7、图8，对单位相位周期进行划分以划分多个子相位值，每个子相位值对应不同尺寸的纳米柱110。通过排布不同尺寸的纳米柱，以得到准直效果。
在一些实施例中，八个子相位值包括
Figure BDA0002936613530000071
及
Figure BDA0002936613530000072
可以理解的是，将
Figure BDA0002936613530000073
及
Figure BDA0002936613530000074
作为不同的相位调制单元，通过将不同的相位调制单元进行组合排列，以得到目标相位分布。
根据目标相位分布对纳米柱110进行排布，以使得超表面结构中的纳米柱110实现准直效果。
请参照图3、图5至图8，在一些实施例中，纳米柱110包括第一纳米柱、第二纳米柱、第三纳米柱、第四纳米柱、第五纳米柱、第六纳米柱、第七纳米柱、第八纳米柱；第一纳米柱的长为279nm，宽为333nm；第二纳米柱的长为319nm，宽为333nm；第三纳米柱的长为158nm，宽为171nm；第四纳米柱的长为198nm，宽为198nm；第五纳米柱的长为279nm，宽为198nm；第六纳米柱的长为279nm，宽为239nm；第七纳米柱的长为292nm，宽为279nm；第八纳米柱的长为305nm，宽为319nm。
其中，第一纳米柱、第二纳米柱、第三纳米柱、第四纳米柱、第五纳米柱、第六纳米柱、第七纳米柱、第八纳米柱根据目标相位分布进行排布，以实现预设效果。
在一些实施例中，纳米柱110的分布位置与目标相位分布相对应，包括：目标相位分布包括至少两个环形相位区域，环形相位区域同心设置。
目标相位分布包括至少两个环形相位区域，环形相位区域同心设置。即根据具体的目标相位分布可将第一纳米柱、第二纳米柱、第三纳米柱、第四纳米柱、第五纳米柱、第六纳米柱、第七纳米柱、第八纳米柱进行组合，以形成多个纳米柱110相位调制区。其中，纳米柱110相位调制区为环形分布，不同的纳米柱110相位调制区为同心设置。
其中，八种纳米柱110按照上述准直相位轮廓以非共振方式排列时，能够实现准直功能。、
请参照图9，随着纳米柱所对应的相位逐渐增加，纳米柱的透射率基本保持为1。可以理解的是，不同尺寸的纳米柱可以实现透射率保持为1，同时实现不同的相位调节效果。
请参照图10，进一步地，利用基于快速傅立叶变换的瑞利-索末菲衍射公式数值积分方法，可得到高斯光束经过超表面后的光束半径。如图所示，线代表原有光束半径，点代表经过准直后的光束半径，光束半径在z＝40000μm处缩小至原有半径的7％，基于上述光纤准直器制作方法制作的光纤准直器在缩小光器件尺寸的同时，可有效地对光束进行准直处理。
上面结合附图对本申请实施例作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.光纤准直器制作方法，其特征在于，包括：
获取目标相位分布；
根据所述目标相位分布得到纳米柱分布图；
对光纤进行切割处理，在物镜上滴光刻胶，并将所述光纤的端部浸入到光刻胶中；
根据所述纳米柱分布图对所述光刻胶进行双光子聚合的曝光处理，对未被曝光处理的部分光刻胶进行清除，以在所述光纤的端部形成超表面结构；
其中，所述超表面结构包括衬底、设置于所述衬底表面的纳米柱，所述衬底与所述光纤耦合连接，所述纳米柱设置于所述衬底远离所述光纤一侧。
2.根据权利要求1所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，所述获取目标相位分布包括：
对所述光纤的高斯光束进行近似处理，得到基模高斯光束；
根据所述基模高斯光束位于所述衬底的端面的相位分布，得到初始相位分布；
对所述初始相位分布进行负值处理，以得到所述目标相位分布。
3.根据权利要求2所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，所述根据所述目标相位分布，得到纳米柱分布图，包括：
对所述纳米柱的尺寸进行扫描，以得到八种不同尺寸的所述纳米柱；
根据所述目标相位分布对所述纳米柱的位置进行排布处理，得到所述纳米柱分布图。
4.根据权利要求3所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，所述对光纤进行切割处理，在物镜上滴光刻胶，并将所述光纤的端部浸入到光刻胶中，包括：
对所述光纤进行切割端部，以使所述光纤的端面与所述光纤的延伸方向相互垂直。
5.根据权利要求4所述光纤准直器制作方法，其特征在于，所述根据所述纳米柱分布图对所述光刻胶进行曝光处理，包括：
对所述光刻胶进行第一阶段曝光处理，以制作衬底；
根据所述纳米柱分布图对所述光刻胶进行第二阶段曝光处理，以在所述衬底的表面上制作所述纳米柱。
6.根据权利要求5所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，所述对未被曝光处理的所述光刻胶进行清除，以形成间隔设置的纳米柱，还包括：
通过显影液对未被曝光处理的所述光刻胶进行清洗处理，以形成多个间隔设置的所述纳米柱；
其中，所述纳米柱的分布位置与所述目标相位分布相对应。
7.根据权利要求6所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，对所述纳米柱的尺寸进行扫描，以得到八种不同尺寸的所述纳米柱，包括：
对单位相位周期进行等分以得到八个子相位值，根据所述子相位值对纳米柱的尺寸进行对应设置。
8.根据权利要求7所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，所述八个子相位值包括
Figure FDA0002936613520000021
Figure FDA0002936613520000022
及
Figure FDA0002936613520000023
9.根据权利要求7所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，所述纳米柱包括第一纳米柱、第二纳米柱、第三纳米柱、第四纳米柱、第五纳米柱、第六纳米柱、第七纳米柱、第八纳米柱；
所述第一纳米柱的长为279nm，宽为333nm；所述第二纳米柱的长为319nm，宽为333nm；所述第三纳米柱的长为158nm，宽为171nm；所述第四纳米柱的长为198nm，宽为198nm；所述第五纳米柱的长为279nm，宽为198nm；所述第六纳米柱的长为279nm，宽为239nm；所述第七纳米柱的长为292nm，宽为279nm；所述第八纳米柱的长为305nm，宽为319nm。
10.根据权利要求6所述的光纤准直器制作方法，其特征在于，所述纳米柱的分布位置与所述目标相位分布相对应，包括：
所述目标相位分布包括至少两个环形相位区域，所述环形相位区域同心设置。
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