CN114442221B - 制备三维波导的控制参数确定方法、制备方法和相关产品 - Google Patents

Abstract

本申请公开制备三维波导的控制参数确定方法、制备方法和相关产品。根据第一模场直径、第二模场直径设置多重扫描方式下的多组测试参数，以多组测试参数分别控制飞秒激光扫描设备对波导材料进行扫描。根据第一模场直径和第二模场直径确定出最优的一组测试参数作为在波导材料上制备三维波导的控制参数。确定出控制参数后，将这些控制参数提供至飞秒激光扫描设备，以便飞秒激光扫描设备根据控制参数向波导材料发射激光制备三维波导。形成的三维波导一端符合第一模场直径，另一端符合第二模场直径，因此波导的两端可以分别与两种不同直径的模场相互对接实现光耦合。三维波导比起模场可变光纤不易发生弯曲，对接不易偏离，耦合难度降低，耦合效率提升。

Description

制备三维波导的控制参数确定方法、制备方法和相关产品

技术领域

本申请涉及光学技术领域，尤其涉及一种制备三维波导的控制参数确定方法、制备方法和相关产品。

背景技术

光器件的耦合场景中，通常对光耦合效率具有较高的要求。下面以一种实现场景为例，介绍现有的光耦合技术。图1为一种利用模场可变的光纤实现光耦合的示意图。图1中有一对模场可变的光纤101A和101B，光纤101A和101B均是一端模场较大，另一端模场较小。其中模场较大的一端103对接光栅结构102，模场较小的另一端104对接图1中未示出的单模光纤。在图1中，根据箭头指示的方向可知，光从一个单模光纤进入光纤101A，由光纤101A耦合至光栅结构102，再从光栅结构102传输给光纤101B，最终从光纤101B的模场较小的另一端104输出。

尽管图1所示的一对模场可变的光纤101A和101B光栅结构102的大模场耦合到单模光纤的较小模场(图中未示出的)中，但是光纤101A和101B容易弯曲，导致耦合效率较低，耦合效果不佳。如何提升光耦合效率已经成为本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请提供了一种制备三维波导的控制参数确定方法、制备方法和相关产品，可利用确定出的控制参数控制飞秒激光扫描设备制备出三维波导，以提升光耦合效率。

第一方面，本申请提供了一种制备三维波导的控制参数确定方法，方法包括：

获取用以制备三维波导的波导材料；

获得第一模场直径和第二模场直径；所述第一模场直径和所述第二模场直径为三维波导的第一端和第二端的目标模场直径；

根据所述第一模场直径和所述第二模场直径设置多重扫描方式下的多组测试参数；

在所述多重扫描方式下以所述多组测试参数分别控制飞秒激光扫描设备对所述波导材料进行扫描；

根据所述第一模场直径和所述第二模场直径，确定出所述多组测试参数中最优的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数。

通过以上方法，能够获得与第一模场直径及第二模场直径最为匹配的控制参数。利用该控制参数，便可以在该波导材料中制备出一端符合第一模场直径，另一端符合第二模场直径的三维波导。以此三维波导即可实现两个不同尺寸模场之间的光耦合。利用确定出的控制参数制备出三维波导可以解决耦合效率低下的问题。

可选地，所述根据所述第一模场直径和所述第二模场直径，确定出所述多组测试参数中最优的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数，具体包括：

获得以所述多组测试参数中每组测试参数控制所述飞秒激光扫描设备在所述波导材料上制备出的三维波导第一端和第二端的实测模场直径；

将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行比较，将与所述目标模场直径差距最小的实测模场直径对应的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数。

通过将实测模场直径与目标模场直径进行比较，可以确定出与目标模场直径最匹配、最相符的一组测试参数作为控制参数，实现对预期效果的三维波导的制备。

可选地，所述根据所述第一模场直径和所述第二模场直径，确定出所述多组测试参数中最优的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数，具体包括：

获得以所述多组测试参数中每组测试参数控制所述飞秒激光扫描设备在所述波导材料上制备出的三维波导第一端和第二端的实测模场直径；

将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行比较，根据比较结果确定出最优的一组测试参数；

根据所述最优的一组测试参数进行优化，更新所述多组测试参数；

在更新后的多组测试参数中确定出一组最优的测试参数。

在以上实现方式中，初步比较和进一步地优化更新，使得测试参数更加丰富、完备，最终确定出的控制参数更加符合实际需求。

可选地，所述将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行比较，具体包括：

将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行单端比较；

所述根据比较结果确定出最优的一组测试参数，具体包括：

确定出与所述第一模场直径差距最小的第一端的实测模场直径对应的一组测试参数作为最优的一组测试参数；或，确定出与所述第二模场直径差距最小的第二端的实测模场直径对应的一组测试参数作为最优的一组测试参数。

在单端比较的结果下，优化另一端相关的测试参数，能够提升参数优化的效率，并获得更加符合实际需求的控制参数。

可选地，所述多重扫描方式包括：移位扫描方式和/或原位扫描方式；

所述移位扫描方式下的测试参数包括：变化的扫描次数和/或变化的相邻两次扫描的位移量，和激光的能量；

所述原位扫描方式下的测试参数包括：变化的扫描次数和激光的能量。

第二方面，本申请提供了一种三维波导制备方法，该方法包括：

获得制备三维波导的控制参数；所述控制参数为依据第一方面提供的制备三维波导的控制参数确定方法确定的；

根据所述控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

该方法以飞秒激光直写得到两端模场直径不同的三维波导，利用该三维波导便可以耦合两种不同直径的模场。由于波导材料内制备的三维波导不易弯曲，因此降低了耦合难度，从而有效提升上述两种直径的模场的耦合效率。

可选地，三维波导制备方法还可以包括：

获得所述第一模场直径对应的波导第一高度值和所述第二模场直径对应的波导第二高度值；

根据所述波导第一高度值和所述波导第二高度值生成波导直写路径；

所述根据所述控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导，具体包括：

根据所述控制参数和所述波导直写路径控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据波导第一高度值和波导第二高度值获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端高度和模场直径需求以及符合第二端高度和模场直径需求的三维波导。

可选地，三维波导制备方法还可以包括：

获得所述第一模场直径对应的第一耦合角度和所述第二模场直径对应的第二耦合角度；

根据所述波导第一耦合角度和所述波导第二耦合角度生成波导直写路径；

所述根据所述控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导，具体包括：

根据所述控制参数和所述波导直写路径控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据第一耦合角度和第二耦合角度获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端耦合角度和模场直径需求以及符合第二端耦合角度和模场直径需求的三维波导。

可选地，三维波导制备方法还可以包括：

获得待制备的三维波导的数量。根据该数量即可形成三维波导阵列，实现高密度的光耦合。制备波导阵列，使光斑扩束的成本大大降低。

第三方面，本申请提供了一种波导，该波导形成于波导材料内，该波导为依据第一方面提供的三维波导制备方法制备而成。

第四方面，本申请提供了一种波导阵列，该波导阵列形成于波导材料内，该波导阵列为第一方面提供的三维波导制备方法制备而成。

第五方面，本申请提供了一种飞秒激光扫描设备的控制器，该控制器包括：

控制参数获取模块，用于获得制备三维波导的控制参数；所述控制参数为依据第一方面提供的制备三维波导的控制参数确定方法确定的；

制备控制模块，用于根据所述控制参数控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

以飞秒激光直写得到两端模场直径不同的三维波导，利用该三维波导便可以耦合两种不同直径的模场。由于波导材料内制备的三维波导不易弯曲，因此降低了耦合难度，从而有效提升上述两种直径的模场的耦合效率。

可选地，上述控制器还可以包括：

高度值获取模块，用于获得所述第一模场直径对应的波导第一高度值和所述第二模场直径对应的波导第二高度值；

波导直写路径生成模块，用于根据所述波导第一高度值和所述波导第二高度值生成波导直写路径；

所述制备控制模块，具体用于根据所述控制参数和所述波导直写路径控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据波导第一高度值和波导第二高度值获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端高度和模场直径需求以及符合第二端高度和模场直径需求的三维波导。

可选地，上述控制器还可以包括：

耦合角度获取模块，用于获得所述第一模场直径对应的第一耦合角度和所述第二模场直径对应的第二耦合角度；

波导直写路径生成模块，用于根据所述波导第一耦合角度和所述波导第二耦合角度生成波导直写路径；

所述制备控制模块，具体用于根据所述控制参数和所述波导直写路径控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据第一耦合角度和第二耦合角度获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端耦合角度和模场直径需求以及符合第二端耦合角度和模场直径需求的三维波导。

可选地，上述控制器还可以包括：

波导数量获取模块，用于获得待制备的三维波导的数量。根据该数量即可形成三维波导阵列，实现高密度的光耦合。制备波导阵列，使光斑扩束的成本大大降低。

第六方面，本申请提供了一种光耦合器，其特征在于，包括：第三方面提供的波导或第四方面提供的波导阵列。可选地，光耦合器的一端对应于较小的模场直径，用于对接模斑在6至7微米之间的光组件；另一端对应于较大的模场直径，用于对接模场直径在10至20微米之间的光纤。可选地，所述光组件为平面光栅。

可选地，所述光耦合器具体为模斑转换器；所述模斑转化器的一端对应于较小的模场直径，用于对接模场直径在6至7微米之间的光纤；另一端对应于较大的模场直径，用于对接模场直径在10至20微米之间的光纤。通过飞秒激光直写多条三维波导，提升了模斑转换器的高密度性。

附图说明

图1为一种利用模场可变的光纤实现光耦合的示意图；

图2为本申请实施例提供的一种制备三维波导的控制参数确定方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的一种在玻璃中形成三维波导的示意图；

图4为图3所示的波导在不同位置的截面示意图；

图5为飞秒激光移位扫描的示意图；

图6为本申请实施例提供的一种通过飞秒激光移位扫描技术直写获得的三维波导的横截面示意图；

图7A为本申请实施例提供的一种三维波导制备方法的流程图；

图7B为本申请实施例提供的另一种三维波导制备方法的流程图；

图8为本申请实施例提供的一种依据波导高度值形成的波导直写路径示意图；

图9为本申请实施例提供的又一种三维波导制备方法的流程图；

图10为本申请实施例提供的一种依据波导耦合角度形成的波导直写路径示意图；

图11为本申请实施例提供的一种多条三维波导的直写路径示意图；

图12为本申请实施例提供的另一种多条三维波导的直写路径示意图；

图13为本申请实施例提供的一种飞秒激光扫描设备的控制器的结构示意图。

具体实施方式

鉴于当前以模场可变的光纤实现不同尺寸模场耦合存在的耦合效率较低的问题，发明人经过研究，在本申请中提供了一种针对性的解决方案。具体地，本申请提供了一种制备三维波导的控制参数确定方法、制备方法和相关产品。相关产品包括制备的波导、波导阵列、飞秒激光扫描设备的控制器和光耦合器。

在本申请中，根据第一模场直径、第二模场直径设置多重扫描方式下的多组测试参数，并以多组测试参数分别控制飞秒激光扫描设备对波导材料进行扫描。根据第一模场直径和第二模场直径确定出多组测试参数中最优的一组测试参数作为在波导材料上制备三维波导的控制参数。在确定出控制参数后，技术人员可以将这些控制参数提供至飞秒激光扫描设备，以便飞秒激光扫描设备根据上述确定出的控制参数向波导材料发射激光以制备三维波导。形成的三维波导的一端符合第一模场直径，波导的另一端符合第二模场直径，因此波导的两端可以分别与两种不同直径的模场相互对接实现光耦合。形成的三维波导比起模场可变光纤不易发生弯曲，对接不容易偏离，因此耦合难度降低，耦合效率提升。另外，三维波导是以第一模场直径和第二模场直径为依据制备的，因此当波导两端对接的模场的直径分别与第一模场直径和第二模场直径匹配时，该匹配性也相应保证较高的光耦合效率。

为便于理解本申请技术方案，以下结合实施例和附图对该技术方案的具体实现进行说明和描述。

参见图2，该图为本申请实施例提供的一种制备三维波导的控制参数确定方法的流程图。如图2所示，该制备三维波导的控制参数确定方法包括：

步骤201：获取用以制备三维波导的波导材料。

本申请技术方案中，目的是制备出一款可适用于两种不同尺寸模场进行光耦合的三维波导。经过研究，目前尚无此类技术方案。为制备出上述功能的三维波导，控制参数十分关键，如果控制参数是随意选取的，则很难以此控制参数控制飞秒激光扫描设备制备出符合实际需求的三维波导。对于不同的波导材料，控制参数可能是不同的。例如，波导材料A的控制参数与波导材料B的控制参数不同。

在本申请技术方案中，波导材料是透明的材料。波导材料可以是透明玻璃。例如，二氧化硅、Eagle玻璃。此外，波导材料还可以是透明塑料等化学合成材料。在其他实现方式中，波导材料还可以是铌酸锂晶体。此处对波导材料的具体类型不做限定。波导材料是后续制备三维波导的基础材料，通过飞秒激光扫描设备的扫描，波导材料中被飞秒激光对准的区域(又称改性区域)的折射率产生改变，由于波导材料折射率存在差异，因此形成了三维波导。

步骤202：获得第一模场直径和第二模场直径。

以下说明中假设波导的两端分别为第一端和第二端。在本申请实施例中，第一模场直径和第二模场直径为要求制备的三维波导的第一端和第二端的目标模场直径。

当第一端为输入端时，第二端为输出端。波导可以实现双向的光传输，因此第一端又可作为输出端，相应地，第二端也可以作为输入端。

第一模场直径和第二模场直径是确定控制参数的重要依据。在一种可能的实现方式中，参与确定控制参数的技术人员已知波导的制备需求，了解制备获得的波导的应用场景。例如，波导的应用场景是一端对接模斑尺寸为7微米的光栅，另一端对接模场直径为10微米的光纤，则技术人员获得第一模场直径7微米，第二模场直径10微米。

步骤203：根据第一模场直径和第二模场直径设置多重扫描方式下的多组测试参数。

多重扫描方式(Multiscan)是本领域较为成熟的飞秒激光扫描方式。多重扫描方式可以细分为移位扫描和原位扫描。直写三维波导的过程中，在波导宽度方向上多次扫描产生微小位移的多重扫描方式称为移位扫描。直写三维波导的过程中，在波导宽度方向上多次扫描不产生位移的多重扫描方式称为原位扫描。

多重扫描方式涉及的参数中包括：扫描次数N与位移量Δd。对于移位扫描，位移量Δd不等于0，表示在波导宽度方向上多次扫描产生微小位移。对于原位扫描，位移量Δd始终等于0，表示在波导宽度方向上多次扫描不产生位移。

图3为本申请实施例提供的一种在玻璃中形成三维波导的示意图。在整个波导上示例性的取四个截面位置1，2，3和4，其中截面位置1对应于波导的第一端，截面位置4对应于波导的第二端，截面位置2和截面位置3则处于波导的第一端与第二端之间。图4为图3所示的波导在四个截面位置1，2，3和4的截面示意图。如图4所示，波导在截面位置1，2，3和4的波导宽度依次减小。

发明人研究发现，波导宽度与模场直径呈负相关。波导越宽，模场直径通常越小；反之，波导越窄，模场直径通常越大。基于图3示意的三维波导和图4所示的截面，由于第一端的波导宽度大于第二端的波导宽度，因此第一端的模场直径小于第二端的模场直径。

(一)、移位扫描

图5为飞秒激光移位扫描的示意图，图6为通过飞秒激光移位扫描技术直写获得的三维波导的横截面示意图。飞秒激光单束光在透明玻璃内部的直写改性区域为椭球行。通过N次扫描，每次扫描时激光束沿着波导宽度方向移动微小的位移量Δd，最终在图5的波导横截面内形成的波导宽度W为扫描次数N与位移量Δd的乘积。因此，在飞秒激光多次移位扫描过程中，通过控制扫描次数N和位移量Δd即可实现对波导宽度W的控制。

在一种可能的实现方式中，飞秒激光移位扫描过程中的位移量Δd不变，仅扫描次数发生变化。例如，在波导的第一端的扫描次数为N1，在波导的第二端的扫描次数N4。

在另一种可能的实现方式中，飞秒激光扫描过程中的扫描次数N不变，仅在不同截面位置的位移量发生变化。例如，在波导的第一端的位移量为Δd1，在波导的第二端的位移量为Δd4。

在其他可能的实现方式中，飞秒激光移位扫描直写三维波导的过程中，扫描次数和相邻两次扫描的位移量均可以发生变化。例如，第一端的扫描次数N1与第二端的扫描次数N4不相等；第一端相邻两次扫描的位移量Δd1与第二端相邻两次扫描的位移量Δd4不相等。

结合图3和图4，在z方向上通过控制扫描次数N和/或位移量Δd变化，便可使不同截面位置的波导宽度不同，从而实现了模场直径的变化。以图3和图4为例，截面位置1的波导宽度W1大于截面位置4的波导宽度W4，因此第一端的模场直径小于第二端的模场直径。

依据步骤202获得的第一模场直径和第二模场直径，波导宽度与扫描次数和位移量的关系，以及波导宽度和模场直径的相关性，技术人员可以设置移位扫描下的多组测试参数。

在两端之间波导的模场直径可能递增或者递减。由于第一模场直径和第二模场直径是已知的，因此设置的每一组测试参数中不但可以包括第一模场直径对应的扫描次数和位移量，第二模场直径对应的扫描次数和位移量，还可以包括第一模场直径与第二模场直径之间数值的模场直径对应的扫描次数和位移量。

根据上述描述可知，移位扫描方式下的测试参数可以包括：变化的扫描次数和/或变化的相邻两次扫描的位移量。其中，变化的扫描次数具体是指沿着第一端向第二端(或者沿着第二端向第一端)变化的扫描次数，变化的相邻两次扫描的位移量具体是指沿着第一端向第二端(或者沿着第二端向第一端)变化的相邻两次扫描的位移量。此外，在其他的测试参数相同的情况下不同的激光能量扫描出的模场直径也可能是不同的，因此移位扫描方式下的测试参数还可以包括激光的能量(或激光的功率)。

(二)、原位扫描

在飞秒激光原位扫描直写三维波导的过程中，每个横截面上波导的宽度仅仅与扫描次数相关。

依据步骤202获得的第一模场直径和第二模场直径，波导宽度与扫描次数的关系，以及波导宽度和模场直径的相关性，技术人员可以设置原位扫描下的多组测试参数。其中原位扫描方式波导宽度与扫描次数的关系可以用预先的实验获得一个二者拟合关系式表达。

在两端之间波导的模场直径可能递增或者递减。由于第一模场直径和第二模场直径是已知的，因此设置的每一组测试参数中不但可以包括第一模场直径对应的扫描次数，第二模场直径对应的扫描次数，还可以包括第一模场直径与第二模场直径之间数值的模场直径对应的扫描次数。

根据上述描述可知，原位扫描方式下的测试参数可以包括：变化的扫描次数。其中，变化的扫描次数具体是指沿着第一端向第二端(或者沿着第二端向第一端)变化的扫描次数。此外，在其他的测试参数相同的情况下不同的激光能量扫描出的模场直径也可能是不同的，因此原位扫描方式下的测试参数还可以包括激光的能量(或激光的功率)。

步骤204：在多重扫描方式下以多组测试参数分别控制飞秒激光扫描设备对波导材料进行扫描。

在前一步骤203中，设置了多重扫描方式下的多组测试参数。例如，移位扫描方式下的第1组测试参数、第2组测试参数、第3组测试参数等，和原位扫描方式下的第1组测试参数、第2组测试参数、第3组测试参数等。本步骤中，可以将上述的多组测试参数分别提供至飞秒激光扫描设备，以便飞秒激光扫描设备能够根据各组测试参数，在波导材料中分别形成三维波导。

需要说明的是，在步骤203设定测试参数时，对于一种新型的未试验过制备上述三维波导的波导材料，技术人员无法确定最优的能够符合实际需求(第一模场直径及第二模场直径)的一组测试参数。为此执行了本步骤204，以得到各组测试参数的制备结果。

步骤205：根据第一模场直径和第二模场直径，确定出多组测试参数中最优的一组测试参数作为在波导材料上制备三维波导的控制参数。

本步骤包括多种可能的实现方式，下面分别进行说明。

在第一种示例性的实现方式中，获得以多组测试参数中每组测试参数控制飞秒激光扫描设备在波导材料上制备出的三维波导第一端和第二端的实测模场直径。将每组测试参数对应的实测模场直径分别与目标模场直径进行比较，将与目标模场直径差距最小的实测模场直径对应的一组测试参数作为在波导材料上制备三维波导的控制参数。

例如，以移位扫描方式下第1组测试参数制备出的三维波导，其第一端的实测模场直径R101，第二端的实测模场直径R102。具体可以通过测试模场直径或者测试波导宽度获得R101和R102。将R101与第一模场直径M1进行比较，得到R101与M1的第一差值，将R102与第二模场直径M2进行比较，得到R102与M2的第二差值。再获得第一差值与第二差值的和。以此类推，对于每组测试参数分别获得第一差值和第二差值之和。对于上述多组测试参数中的每一组测试参数，衡量各组的第一差值与第二差值之和，在该示例中，第一差值与第二差值之和最小，表示出实测模场直径与目标模场直径的差距最小。将该组差距最小的测试参数可以作为后续在该波导材料制备同样的第一模场直径和第二模场直径三维波导的控制参数。

需要说明的是，在上述示例中，以第一差值与第二差值之和表示实测模场直径与目标模场直径的差距。在其他可能的实现方式中还可能以其他表达式表示实测模场直径与目标模场直径的差距。例如以第一差值的平方值与第二差值的平方值之和表示实测模场直径与目标模场直径的差距。或者，还可以得到R101与M1的第一比值以及R102与M2的第二比值，以第一比值和第二比值之和表示实测模场直径与目标模场直径的差距。因此，本申请实施例中对于如何衡量实测模场直径与目标模场直径的差距不做限制。

在以上示例实现方式中，最终从多组测试参数中选择出一组最优的测试参数，将其作为后续制备的控制参数。在实际应用中，步骤203设置的多组测试参数可能并不理想，导致一端或两端的实测模场直径于目标模场直径相差较大，难以满足制备需求。为此，本申请实施例中还提供了步骤205的另一种示例实现方式，介绍如下：

在第二种示例性的实现方式中，获得以多组测试参数中每组测试参数控制飞秒激光扫描设备在波导材料上制备出的三维波导第一端和第二端的实测模场直径。将每组测试参数对应的实测模场直径分别与目标模场直径进行比较，根据比较结果确定出最优的一组测试参数；根据最优的一组测试参数进行优化，更新多组测试参数；在更新后的多组测试参数中确定出一组最优的测试参数。

根据以上描述可知，在获得了每组测试参数制备出的三维波导的实测模场直径后，可以首先通过与目标模场直径比较，根据比较结果从中择优，在对优选的测试参数进一步优化，以得到更加理想的符合实际需求的测试参数作为控制参数。择优方式可以参照第一种示例实现方式中介绍的内容。另外，还可以通过单端比较进行择优。下面详细介绍之一方式的具体实现：

例如，可以确定出与第一模场直径差距最小的第一端的实测模场直径对应的一组测试参数，将其初步作为多组测试参数中最优的一组测试参数。由于第一端可能已经基本达到要求，则可以微调该组测试参数中第二端对应的参数，以及第一端与第二端之间的参数，以实现后续对第二端的实测模场直径的优化。微调后的测试参数可以更新至前述的多组测试参数，以便再次以新的一组测试参数进行制备，并进行进一步的比较。

类似地，还可以确定出与第二模场直径差距最小的第二端的实测模场直径对应的一组测试参数，将其初步作为多组测试参数中最优的一组测试参数。由于第二端可能已经基本达到要求，则可以微调该组测试参数中第一端对应的参数，以及第一端与第二端之间的参数，以实现后续对第一端的实测模场直径的优化。微调后的测试参数可以更新至前述的多组测试参数，以便再次以新的一组测试参数进行制备，并进行进一步的比较。

需要说明的是，以上优化过程可以是反复、循环、多次进行的，此处对优化次数和优化方式不做限制。通过更新和重复制备测试，最终选出的控制参数制备的三维波导的两端实测模场直径与目标模场直径更为匹配，制备结果更加符合预期，满足实际需求。

以上即为本申请实施例提供的一种制备三维波导的控制参数确定方法。该方法根据第一模场直径、第二模场直径设置多重扫描方式下的多组测试参数，并以多组测试参数分别控制飞秒激光扫描设备对波导材料进行扫描。根据第一模场直径和第二模场直径确定出多组测试参数中最优的一组测试参数作为在波导材料上制备三维波导的控制参数。在测试过程中，以该组控制参数制备出的三维波导即可应用在要求耦合第一模场直径和第二模场直径两种不同尺寸模场的场景中使用。

在一些其他的场景中，可能需要批量生产制备可耦合第一模场直径和第二模场直径两种不同尺寸模场的三维波导。为此，在执行上述实施例的方法确定出控制参数后，技术人员可以将这些控制参数提供至飞秒激光扫描设备，以便飞秒激光扫描设备根据上述确定出的控制参数向波导材料发射激光以制备三维波导。形成的三维波导的一端符合第一模场直径，波导的另一端符合第二模场直径，因此波导的两端可以分别与两种不同直径的模场相互对接实现光耦合。形成的三维波导比起模场可变光纤不易发生弯曲，对接不容易偏离，因此耦合难度降低，耦合效率提升。另外，三维波导是以第一模场直径和第二模场直径为依据制备的，因此当波导两端对接的模场的直径分别与第一模场直径和第二模场直径匹配时，该匹配性也相应保证较高的光耦合效率。

在前述实施例提供的制备三维波导的控制参数确定方法的基础上，本申请还提供了三维波导制备方法，该方法可以在飞秒激光扫描设备上实现。下面结合附图对该制备方法的实现过程进行描述。

参见图7A，该图为本申请实施例提供的一种三维波导制备方法的流程图。如图7A所示，该方法包括：

步骤701A：获得制备三维波导的控制参数。

此处获得的控制参数具体可以是依据前述制备三维波导的控制参数确定方法确定出的控制参数。在技术人员确定了控制参数后，可以通过编程的方式将其导入至飞秒激光扫描设备中，如果飞秒激光扫描设备提供了相应的输入组件或连接着输入组件，技术人员还可以通过输入组件(例如音频组件、键盘、显示屏)等将控制参数输入至飞秒激光扫描设备，从而使飞秒激光扫描设备获得控制参数。

如果控制参数是移位扫描方式下的控制参数，则其中可以包括变化的扫描次数和/或变化的相邻两次扫描的位移量，和激光的能量。如果控制参数是原位扫描方式下的控制参数，则其中可以包括变化的扫描次数和激光的能量。需要说明的是，控制参数具体原位扫描方式下的控制参数，其中也可以包括相邻两次扫描的位移量，只不过这些位移量均为0。

步骤702A：根据所述控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

需要说明的是，在本申请实施例中，飞秒激光扫描设备无需获知移位扫描或原位扫描，在获得控制参数后便可以根据具体的控制参数执行扫描。例如，按照控制参数中激光的能量向波导材料发射激光。

实际应用中，考虑到波导的应用场景对于波导两端的对接高度有要求，本申请实施例提供的制备方法中还可以基于高度要求来进行制备。参见图7B，该图示意了另一种三维波导制备方法的实现流程。如图7B所示，该方法包括：

步骤701B：获得制备三维波导的控制参数。

步骤701B与701A实现方式相同，此处不再赘述。

步骤702B：获得第一模场直径对应的波导第一高度值和第二模场直径对应的波导第二高度值。

假设波导的两端分别为第一段和第二端，其中第一端对应第一模场直径，第二端对应第二模场直径。在本申请实施例中，作为示例，可以在制备过程中选定波导材料的一个表面作为底面，上述波导第一高度值和波导第二高度值均是以底面为参照基准。波导第一高度值和波导第二高度值可以是默认的设置值，也可以由技术人员输入。

在一种可能的实现方式中，波导第一高度值具体可以是指第一端的横截面的中心点高度值，相应地，波导第二高度值具体可以是指第二端的横截面的中心点高度值。在另一种可能的实现方式中，波导第一高度值和波导第二高度值还分别可以是指第一端横截面上波导的最高处高度值和第二端横截面上波导的最高处高度值。此外，在又一种可能的实现方式中，波导第一高度值和波导第二高度值还分别可以是指第一端横截面上波导的最低处高度值和第二端横截面上波导的最低处高度值。

步骤703B：根据波导第一高度值和波导第二高度值生成波导直写路径。

可以理解的是，波导第一高度值相当于对波导第一端的高度要求，同理，波导第二高度值相当于对波导第二端的高度要求。依据波导第一高度值和波导第二高度值生成的波导直写路径可以满足上述对波导第一端和波导第二端的高度要求。如此，使得波导在进行光耦合对接时，与对接的光纤或者光组件在高度上更加匹配。有利于进一步提升耦合对接的便利性，降低耦合对准的难度，提升耦合效率和耦合精度。

图8示出了一种波导直写路径。如图8所示，波导第一高度值小于波导第二高度值，因此波导直写路径在第一端与第二端之间，呈现出高度逐渐上升的趋势。在其他的实现场景中，波导第一高度值还可能等于或大于波导第二高度值。

步骤704B：根据所述控制参数和所述波导直写路径控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据波导第一高度值和波导第二高度值获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端高度和模场直径需求以及符合第二端高度和模场直径需求的三维波导。

实际应用中，考虑到波导的应用场景对于波导两端的耦合角度有要求，例如波导所在的空间受限，或者对接的组件或光纤的位置或方位受限，此时可能需要特别设置两端的耦合角度，保证制备出的三维波导的实用性。本申请实施例提供的制备方法中还可以基于耦合角度的要求来进行制备。参见图9，该图示意了又一种三维波导制备方法的实现流程。如图9所示，该方法包括：

步骤901：获得制备三维波导的控制参数。

步骤901与701A实现方式相同，此处不再赘述。

步骤902：获得第一模场直径对应的第一耦合角度和第二模场直径对应的第二耦合角度。

假设波导的两端分别为第一段和第二端，其中第一端对应第一模场直径，第二端对应第二模场直径。第一耦合角度是波导第一端对接光组件或光纤的角度，第二耦合角度是波导第二端对接光组件或光纤的角度。第一耦合角度和第二耦合角度可以是默认的设置值，也可以由技术人员输入。

实际应用中，可以将某个方向设为耦合角度为0的参考方向，第一耦合角度和第二耦合角度均是以参考方向作为参照基准。作为示例，以z轴正向作为参考方向，第一耦合角度和第二耦合角度均在0至90°之间取值。在实际应用中，如果第一耦合角度与第二耦合角度相同，则第一端和第二端具体可以位于波导材料的两个相互平行的平面。而如果第一耦合角度与第二耦合角度不同，则第一端和第二端具体可以各自位于两个不平行的平面。

步骤903：根据波导第一耦合角度和波导第二耦合角度生成波导直写路径。

可以理解的是，第一耦合角度相当于对波导第一端的耦合角度要求，同理，第二耦合角度相当于对波导第二端的耦合角度要求。依据第一耦合角度和第二耦合角度生成的波导直写路径可以满足上述对波导第一端和波导第二端的耦合角度要求。如此，使得波导在进行光耦合对接时，与对接的光纤或者光组件在耦合角度上更加匹配。有利于进一步提升耦合对接的便利性，降低耦合对准的难度，提升耦合效率和耦合精度。

图10示出了另一种波导直写路径。以z轴正向为参考方向，第一耦合角度为0，第二耦合角度θ在0至90°之间取值。在图10示例中，θ≠0。因此，第一端和第二端分别位于波导材料的两个不平行的平面。

步骤904：根据所述控制参数和所述波导直写路径控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据第一耦合角度和第二耦合角度获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端耦合角度和模场直径需求以及符合第二端耦合角度和模场直径需求的三维波导。

基于图7B和图9中提供的波导制备方法，在一种可能的实现方式中，还可以获得波导第一高度值、波导第二高度值、第一耦合角度和第二耦合角度后，共同基于这些参数来生成波导直写路径，再根据飞秒激光扫描方式对应的变化控制参数和波导直写路径控制扫描，制备获得两端均满足高度、模场直径和耦合角度的三维波导、

实际应用中，还可以在波导材料内依据上文各实施例描述的波导制备方法制备出多条三维波导。按照实际使用需求，多条三维波导相互之间第一模场直径、第二模场直径、波导第一高度值、波导第二高度值、第一耦合角度和第二耦合角度等多个参数可以相同，也可以不同。

为制备出多条波导，在进行飞秒激光扫描之前，还需要获得在波导材料内待制备的波导数量K。K为大于1的整数。K可以依据实际需求设置。在一种可能的实现方式中，K为默认值；在另一种可能的实现方式中，K具体数值由技术人员提供。此外，还可以获得每条波导直写路径的间距，根据波导数量K、间距、波导直写路径以及控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备K条三维波导。

图11和图12分别示意了两种多条三维波导的直写路径。依据图11的直写路径形成的模场直径可变波导阵列的输入端与输出端各自高度灵活可控。依据图12的直写路径形成的模场直径可变波导阵列的输入端与输出端各自耦合角度灵活可控。

需要说明的是，本申请实施例制备出的波导及波导阵列的两端均可置换使用。例如，通过第一端输入和第二端输出，实现大模斑至小模斑的转换；通过第二端输入和第一端输出，实现小模斑至大模斑的转换。在本申请实施例中，通过在波导材料内制备多条波导，形成了三维的波导阵列。本申请示例制备的波导阵列可以实现高密度的光耦合。此外，波导材料内制备出的三维波导或三维波导阵列在耦合使用时相比于光纤，插拔更加稳定，对于空间位移的敏感度更低。

目前为了实现光斑扩束，如果采用光纤阵列单元(Fiber Array Unit，FAU)实现扩束，需要光纤阵列(Fiber Array，FA)与透镜阵列(Lens Array，LA)组装得到该FAU。1×25的FA成本约300人民币，1×25的LA的成本约200人民币以上。而本申请实施例提供的三维波导制备方法可以在一块边长10mm的玻璃内制备至少20组1×25波导的阵列，由于该三维波导阵列不需要借助透镜阵列便可以实现光斑扩束，因此，相当于节约了20组1×25的透镜阵列，即节省约4000人民币。可见，应用本申请提供的三维波导制备方法制备波导阵列，使光斑扩束的成本大大降低。

在本申请实施例提供的制备三维波导的控制参数确定方法，以及三维波导制备方法的基础上，本申请还提供了应用上述方法制备的波导和波导阵列。作为示例，波导的形态可以参见图3。图8和图10分别示意了波导直写路径，波导便是沿着波导直写路径制备而成，其形态近似与图中的路径，区别仅在于两端的波导宽度不同，对应于不同的模场直径。图11和图12分别示意了波导阵列的直写路径，波导阵列便是沿着波导直写路径制备而成，其形态近似与图中的路径，区别仅在于两端的波导宽度不同，对应于不同的模场直径。需要说明的是，图11仅仅示意了多条波导的波导第一高值相同，波导第二高度值相同，但是在实际应用中还可以制备出波导第一高度值不同和/或波导第二高度值不同的波导阵列。类似地，图12仅仅示意了多条波导的第一耦合角度相同，第二耦合角度相同，但是在实际应用中还可以制备出第一耦合角度不同和/或第二耦合角度不同的波导阵列。

基于前述实施例提供的波导制备方法制备的波导和波导阵列，相应地，本申请还提供一种光耦合器。该光耦合器可以包括前述方法制备的波导或波导阵列。

光耦合器可以应用在多种场景中。作为一示例，光耦合器的第一端对应于三维波导或三维波导阵列的第一端，光耦合器的第二端对应于三维波导或三维波导阵列的第二端。假设光耦合器第一端的第一模场直径小于光耦合器第二端的第二模场直径，则光耦合器实际使用时，其第一端可以用于对接模斑尺寸较小的光组件，第二端用于对接模场直径较大的光纤。

作为示例，第一模场直径的取值在6至7微米的范围之内，因此，光耦合器的第一端具体可以用于耦合模斑直径在对应尺寸的光组件。作为示例，光组件可以是平面光栅或者硅波导。

作为示例，第二模场直径的取值在10至20微米的范围之内，因此，光耦合器的第二端具体可以用于耦合模场直径在对应尺寸的光纤。

另外，光耦合器还可以用作模斑转换器，实现两个不同模场直径的光纤的模斑转换。例如从大模斑转换至小模斑或者从小模斑转换至大模斑。作为示例，模斑转换器具有小模场直径的一端对接模场直径在6至7微米之间的第一光纤，具有大模场直径的一端对接模场直径在10至20微米之间的第二光纤。

若模斑转换器包含了上述方法制备的波导阵列，则本申请实施中通过飞秒激光直写多条三维波导，提升了模斑转换器的高密度性。

本申请实施例还提供一种飞秒激光扫描设备的控制器。以下结合实施例和附图对该控制器的具体实现进行说明。

参见图13，该图为一种飞秒激光扫描设备的控制器的结构示意图。如图13所示，该控制器130包括：

控制参数获取模块1301，用于获得制备三维波导的控制参数；所述控制参数为依据前述实施例提供的制备三维波导的控制参数确定方法确定的；

制备控制模块1302，用于根据所述控制参数控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

可选地，控制器130还包括：

高度值获取模块，用于获得所述第一模场直径对应的波导第一高度值和所述第二模场直径对应的波导第二高度值；

波导直写路径生成模块，用于根据所述波导第一高度值和所述波导第二高度值生成波导直写路径。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据波导第一高度值和波导第二高度值获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端高度和模场直径需求以及符合第二端高度和模场直径需求的三维波导。

可选地，控制器130还包括：

耦合角度获取模块，用于获得所述第一模场直径对应的第一耦合角度和所述第二模场直径对应的第二耦合角度；

波导直写路径生成模块，用于根据所述波导第一耦合角度和所述波导第二耦合角度生成波导直写路径。

由于控制参数是依据第一模场直径和第二模场直径获得的，波导直写路径是依据第一耦合角度和第二耦合角度获得的，因此利用控制参数和波导直写路径来控制飞秒激光扫描，即可在波导材料内制备获得符合第一端耦合角度和模场直径需求以及符合第二端耦合角度和模场直径需求的三维波导。

所述制备控制模块1302，具体用于根据所述控制参数和所述波导直写路径控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

可选地，控制器130还包括：

波导数量获取模块，用于获得待制备的三维波导的数量。根据该数量即可形成三维波导阵列，实现高密度的光耦合。制备波导阵列，使光斑扩束的成本大大降低。

此外，波导材料内制备出的三维波导或三维波导阵列在耦合使用时相比于光纤，插拔更加稳定，对于空间位移的敏感度更低。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (19)

1.一种制备三维波导的控制参数确定方法，其特征在于，包括：

获取用以制备三维波导的波导材料；

获得第一模场直径和第二模场直径；所述第一模场直径和所述第二模场直径为三维波导的第一端和第二端的目标模场直径；

根据所述第一模场直径和所述第二模场直径，波导宽度与扫描次数和位移量的关系，以及所述波导宽度与模场直径的相关性，设置多重扫描方式下的多组测试参数，所述测试参数包括扫描次数与位移量；

在所述多重扫描方式下以所述多组测试参数分别控制飞秒激光扫描设备对所述波导材料进行扫描；

根据所述第一模场直径和所述第二模场直径，确定出所述多组测试参数中最优的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一模场直径和所述第二模场直径，确定出所述多组测试参数中最优的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数，具体包括：

获得以所述多组测试参数中每组测试参数控制所述飞秒激光扫描设备在所述波导材料上制备出的三维波导第一端和第二端的实测模场直径；

将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行比较，将与所述目标模场直径差距最小的实测模场直径对应的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述第一模场直径和所述第二模场直径，确定出所述多组测试参数中最优的一组测试参数作为在所述波导材料上制备三维波导的控制参数，具体包括：

获得以所述多组测试参数中每组测试参数控制所述飞秒激光扫描设备在所述波导材料上制备出的三维波导第一端和第二端的实测模场直径；

将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行比较，根据比较结果确定出最优的一组测试参数；

根据所述最优的一组测试参数进行优化，更新所述多组测试参数；

在更新后的多组测试参数中确定出一组最优的测试参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行比较，具体包括：

将每组测试参数对应的实测模场直径分别与所述目标模场直径进行单端比较；

所述根据比较结果确定出最优的一组测试参数，具体包括：

确定出与所述第一模场直径差距最小的第一端的实测模场直径对应的一组测试参数作为最优的一组测试参数；或，确定出与所述第二模场直径差距最小的第二端的实测模场直径对应的一组测试参数作为最优的一组测试参数。

5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述多重扫描方式包括：移位扫描方式和/或原位扫描方式；

所述移位扫描方式下的测试参数包括：变化的扫描次数和/或变化的相邻两次扫描的位移量，和激光的能量；

所述原位扫描方式下的测试参数包括：变化的扫描次数和激光的能量。

6.一种三维波导制备方法，其特征在于，包括：

获得制备三维波导的控制参数；所述控制参数为依据权利要求1-5任一项所述的方法确定的；

根据所述控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

获得所述第一模场直径对应的波导第一高度值和所述第二模场直径对应的波导第二高度值；

根据所述波导第一高度值和所述波导第二高度值生成波导直写路径；

所述根据所述控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导，具体包括：

根据所述控制参数和所述波导直写路径控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：

获得所述第一模场直径对应的第一耦合角度和所述第二模场直径对应的第二耦合角度；

根据所述波导第一耦合角度和所述波导第二耦合角度生成波导直写路径；

所述根据所述控制参数控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导，具体包括：

根据所述控制参数和所述波导直写路径控制飞秒激光扫描设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

9.根据权利要求6-8任一项所述的方法，其特征在于，还包括：

获得待制备的三维波导的数量。

10.一种波导，其特征在于，所述波导形成于波导材料内，所述波导为依据权利要求6-8任一项所述的三维波导制备方法制备而成。

11.一种波导阵列，其特征在于，所述波导阵列形成于波导材料内，所述波导阵列为依据权利要求9所述的三维波导制备方法制备而成。

12.一种飞秒激光扫描设备的控制器，其特征在于，包括：

控制参数获取模块，用于获得制备三维波导的控制参数；所述控制参数为依据权利要求1-5任一项所述的方法确定的；

制备控制模块，用于根据所述控制参数控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

13.根据权利要求12所述的控制器，其特征在于，还包括：

高度值获取模块，用于获得所述第一模场直径对应的波导第一高度值和所述第二模场直径对应的波导第二高度值；

波导直写路径生成模块，用于根据所述波导第一高度值和所述波导第二高度值生成波导直写路径；

所述制备控制模块，具体用于根据所述控制参数和所述波导直写路径控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

14.根据权利要求12所述的控制器，其特征在于，还包括：

耦合角度获取模块，用于获得所述第一模场直径对应的第一耦合角度和所述第二模场直径对应的第二耦合角度；

波导直写路径生成模块，用于根据所述波导第一耦合角度和所述波导第二耦合角度生成波导直写路径；

所述制备控制模块，具体用于根据所述控制参数和所述波导直写路径控制所述设备向所述波导材料发射激光以制备三维波导。

15.根据权利要求12-14任一项所述的控制器，其特征在于，还包括：

波导数量获取模块，用于获得待制备的三维波导的数量。

16.一种光耦合器，其特征在于，包括：权利要求10所述的波导或权利要求11所述的波导阵列。

17.根据权利要求16所述的光耦合器，其特征在于，所述光耦合器的一端对应于较小的模场直径，用于对接模斑在6至7微米之间的光组件；另一端对应于较大的模场直径，用于对接模场直径在10至20微米之间的光纤。

18.根据权利要求17所述的光耦合器，其特征在于，所述光组件为平面光栅。

19.根据权利要求16所述的光耦合器，其特征在于，所述光耦合器具体为模斑转换器；所述模斑转换器的一端对应于较小的模场直径，用于对接模场直径在6至7微米之间的光纤；另一端对应于较大的模场直径，用于对接模场直径在10至20微米之间的光纤。