TWI714880B - 光學構件、波導雷射以及製造光學構件之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於光學波導之光學構件，其具有形成在一載體基板(1)中之一光波導(3)，藉由引入切口(2)且釋放在該載體基板(1)中來製造。為此目的，雷射輻射用於引入兩個實質上平行之切割線，在該等切割線之間以此方式製造該光波導(3)。連接區域在此狀況下作為一支撐結構保持完好。在此藉助於雷射誘導之深度蝕刻方法(LIDE)引入該等切口(2)。在切割之後，實現一離子交換以改變該載體基板(1)之折射率。隨後，藉助於熱處理，特別是藉助於一選擇性熱處理使用雷射輻射對該光波導(3)之邊緣進行表面處理以產生一圓形表面結構(5)。另外，引入用於耦合輸出光之散射結構(6)，其具有一圓錐形基本形狀且配置在後側上。

Description

光學構件、波導雷射以及製造光學構件之方法
本發明係關於一種用於光學波導之光學構件，其具有在載體基板中形成為波導圖案之光波導，特別是一種被動構件。特別是，本發明係關於實施為平面光波導之光學構件，平面光波導被稱為平面光波電路(Planar Lightwave Circuit，PLC)。另外，本發明係關於一種用於製造此光學構件之方法。
此類光學構件具有藉由載體基板判定之平面構造。載體基板通常為玻璃，藉由合適的機械加工將多個光波導整合至該載體基板中，形成所要波導圖案。
根據先前技術，較佳地以微影方式實現光波導軌道圖案之構造。在該微影構造中，將光阻施加至載體基板上，且產生重新產生光波導圖案之光罩。隨後，施加為擴散過程提供離子之合適的物質，特別是合適的鹽溶液。為了形成光波導，例如鈉離子或銀離子擴散至載體基板中。藉由施加電場支援離子擴散過程。
光波導及載體基板可由不同材料組成。例如，波導材料可為聚醯亞胺、矽、半導體、LiNbO3等。基板材料可為基於矽石或二氧化矽之材料等。在製造期間，可使用各種方法，例如旋塗、溶膠-凝膠處理、濺鍍、化學氣相沈 積(Chemical Vapor Deposition，CVD)、離子擴散、離子束直寫等。
例如，DE 10 2010 004 442 B4揭示具有整合於載體基板中之波導圖案的用於光學波導之光學構件。該構件呈現整合於載體基板，特別是玻璃中之波導圖案，其中提供其中形成有半圓形橫截面之波導半部之兩個平面載體基板半部。兩個載體基板半部彼此連接，使得各別波導半部加起來形成光波導。在此藉由特別是場支援離子擴散以自身已知方式形成波導半部。光波導較佳地實施為多模式波導。
DE 602 06 642 T2係關於平面光波電路(PLC)，包含光學設備。波導結構充當用於薄層或薄膜層堆疊之穩定基板且同時充當光波導。
US 6,528,755 B2已經揭示一種光導，其較佳地由可撓性材料形成且具有輪廓適合於焊接輪廓之出射表面。該光導可較佳地呈現散射性質，其在出射表面之整個表面區域內提供均勻光束。
另外，DE 35 25 661 C2係關於用於以一簡單方式在例如由無機玻璃或無機結晶固體製成之基板材料中執行場支援離子交換之方法。
本發明係基於提供顯著改良光學構件之目標。根據本發明，此目標是藉由以下內容來實現：一種用於光學波導之光學構件，其具有在載體基板中形成為波導圖案之光波導，特別是被動構件，其中該光波導藉由切口，特別是藉由將該光波導釋放在該載體基板中而形成。可在附屬申請專利範圍中發現本發明之另一組態。
根據本發明，藉由載體基板中之切口，特別是藉由將光波導釋放在載體基板中而因此形成光波導，其中光波導連接至腹板(webs)區域中之載體基板。根據本發明之中心概念為使用雷射方法，特定地藉由將光波導釋放在玻璃 基板中來進行光波導軌道圖案之構造，其中藉由在載體基板中引入切口而產生輪廓。
較佳地藉助於切口釋放輪廓，切口實質上為平行切割線，使得其界定其間的光波導。為此目的，光波導軌道圖案僅僅藉助於網狀支撐結構而保持連接至載體基板。較佳地，支撐結構在光波導之主要延伸方向上呈現極短長度，特別是小於光波導之寬度。
較佳地，隨後可對光波導軌道圖案之外側執行自身已知之離子交換方法以便實現玻璃之折射率的所要改變。
另外，可特別是使用雷射輻射執行熱後處理以便例如藉助於熱處理使表面圓化或以目標方式引入光學有效結構，例如用於耦合輸出光之散射結構。可提供此類表面改性以用於使雷射輸出聚焦於一側或用於兩側上之更高效光導引。
有可能以此方式實現光波導，亦包括光活性結構(透鏡、輸出耦合、光柵等等)之簡單製造。例如，此類結構可為錐形結構或光柵結構，可相對應地設定該等結構之光柵常數。
在已經在載體基板，例如玻璃板中切割光波導之後，重熔經切割的光波導以產生圓形橫截面。
本發明另外係關於一種用於實現作為單塊掃描器之光束偏轉系統之主動結構。為此目的，釋放光波導軌道圖案之端部區域，使得可引入振動支架，例如彈簧。藉此有可能激發一個部分連接至光波導之端部片件之振動。
在此，本發明較佳地由光波導與微觀力學及諧振激發之組合組成，其中可在相對低支出情況下製造因此形成之單塊掃描器。
本發明另外係關於用於沿著整個結構進行雷射輻射之拉伸線形及均勻輸出耦合之結構。為此目的，輸出耦合結構較佳地提供於底側及/或上側 上，例如可藉助於圓錐形結構實現。較佳地在一共同工作步驟中引入切口及輸出耦合結構。此類圓錐形輸出耦合結構可藉由雷射輻射製造。與輸出耦合結構相對，表面較佳地為圓形。
因此，可根據本發明實現用於在輪廓中同時進行雷射輻射，特別是雷射焊接塑膠之方法。為此目的，在載體基板，特別是玻璃板中切割光波導。可藉助於例如光波導之底側上之錐體耦合輸出雷射輻射，因此同時焊接成為可能。
用於雷射材料處理，特別是用於雷射焊接，較佳地玻璃板具有用於導引及分佈雷射輻射之具有至少兩個切口之結構，實質上相對於彼此平行地導引，以用於界定待使用雷射輻射照射之輪廓。沿著此輪廓形成輸出耦合結構，其經組態以使得雷射輻射沿著該輪廓實質上均勻耦合輸出。
在使用先前提及之設備用於雷射材料處理，特別是用於雷射焊接之根據本發明之方法中，輻射雷射光經導引穿過沿著輪廓形成光波導之實質上平行切口且相對於載體結構，例如玻璃板之平面垂直地耦合輸出穿過輸出耦合結構，且照射待處理之工件。
在塑膠之雷射焊接期間，藉由沿著焊接輪廓進行熔融及壓縮將兩個接合搭配物彼此連接。根據本發明，前述設備之光波導可根據焊接輪廓製造且藉由輸出耦合結構提供於一側上。將該設備置放成與接合搭配物接觸或在接合搭配物附近以便使用雷射輻射沿著焊接輪廓熔融接合搭配物。一旦已經移除設備，將第二接合搭配物按壓至第一接合搭配物上以產生焊接連接件。
在本發明之特定注重實踐的組態中，光學構件可用作波導雷射之雷射活性介質。在此狀況下，圍繞活性介質製造用於波導之結構以便能夠更好地導引泵浦光。
可藉由自身已知之雷射處理方法引入切口。較佳地在短時間內將 該雷射光束引導至玻璃工件上使得僅實現較佳地沿著該雷射光束之光束軸線的對該載體基板之材料之一系列修改而不會破壞該載體基板，且其中在下一步驟中，僅在該載體基板中先前藉助於該雷射光束給定凹槽之彼等區域中執行各向異性材料移除，且以此方式將該切口引入至該載體基板中。
在此藉助於蝕刻製程由於依次蝕刻配置成一列之複數個凹槽，藉由依次連接先前產生之凹槽而形成切口，該等凹槽藉由蝕刻效應擴展以在載體基板中形成空腔。以此方式，蝕刻液體迅速在凹槽之間傳遞。在此重力之影響並不重要。實際上，蝕刻自頂部至底部相當地進行且反之亦然，此意謂特別是可在兩個外部側上同時開始蝕刻製程。
歸因於在載體基板內作為變體產生之凹槽，蝕刻製程遵循配置凹槽所沿之線。該線可為直線或幾乎遵循任何所要輪廓，藉由蝕刻製程精確遵循該輪廓。因此，第一次亦有可能產生幾乎任何所要切口輪廓。
1:載體基板
2:切口
3:光波導
4:支撐結構
5:表面結構
6:散射結構
7:光柵結構
8:彈簧結構
9:端部區域
本發明允許各種具體實例。為了進一步說明其基本原理，其附圖經說明且將在下文中進行描述。該附圖在每一狀況下以示意圖形式展示，其中：圖1為具有藉由被釋放而產生之兩個平行光波導之載體基板；圖2為穿過具有圓形表面結構之載體基板之橫截面；圖3為穿過在已經引入用於耦合輸出光之散射結構之後的圖2中所示之載體基板之橫截面；圖4為穿過在對光波導進行另一圓化之後的載體基板之橫截面；圖5為在已經引入光繞射光柵結構之後的圖1中所示之載體基板；圖6為用於實現光束偏轉系統之具有主動結構之載體基板。
在較佳例示性具體實例中，藉由在載體基板1中引入切口2而釋放所要輪廓之光波導3。為此目的，雷射輻射用於引入兩個實質上平行之切割線，在該等切割線之間以此方式製造光波導3。在此狀況下，連接區域作為支撐結構4保持完好。在此藉助於雷射誘導之深度蝕刻方法(laser-induced deep etching，LIDE)引入切口2。在切割之後，實現離子交換以改變載體基板1之折射率。
隨後，藉助於熱處理，特別是藉助於選擇性熱處理，使用雷射輻射，例如CO2雷射輻射對光波導3之邊緣進行表面處理以產生圓形表面結構5。
另外，引入用於耦合輸出光之散射結構6，其具有圓錐形基本形狀且配置在後側上。另外，光繞射光柵結構7提供於切割邊緣之表面上，可藉助於雷射改性之距離設定該光柵結構之光柵常數。
出於此目的提供之載體基板1為材料厚度至多為0.8mm，較佳地小於0.3mm或小於0.1mm之薄玻璃。光波導3具有至多0.1mm，較佳地小於0.05mm或小於0.02mm之橫向範圍。
圖6另外展示呈用於實現單塊掃描器之光束偏轉系統之主動結構形式的光學構件，該光學構件可用作用於激發端部區域中之振動之微機械、電磁或聲學裝置。為此目的，釋放光波導軌道圖案之端部區域9，使得可引入振動支架，例如彈簧結構8。藉此有可能激發端部區域9之諧振，該端部區域的一個部分連接至光波導3。
1:載體基板
2:切口
3:光波導
5:表面結構
6:散射結構

Claims (20)

  1. 一種用於光學波導之光學構件，其具有在載體基板中形成為波導圖案之光波導，其中該光波導是藉由切口所形成，其中該切口是藉由將該光波導釋放在該載體基板中而形成。
  2. 如請求項1所述之光學構件，其中藉由網狀支撐結構將該光波導連接至該載體基板。
  3. 如請求項2所述之光學構件，其中該支撐結構具有在該光波導之主要延伸方向上的長度，該長度小於該光波導之寬度。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之光學構件，其中在每一狀況下，在該光波導上提供彼此相對之至少兩個支撐結構。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之光學構件，其中該光波導至少部分地備有光學有效結構以用於耦合輸出光。
  6. 如請求項5所述之光學構件，其中該結構具有錐形結構及/或光柵結構。
  7. 如請求項1至3中任一項所述之光學構件，其中該光波導在該光波導之底側及/或該光波導之上側處具有輸出耦合結構。
  8. 如請求項1至3中任一項所述之光學構件，其中實施該結構以用於沿著該整個結構進行雷射輻射之拉伸線形及均勻輸出耦合。
  9. 如請求項1至3中任一項所述之光學構件，其中藉由相互相對之外表面之間的該切口使該載體基板完全穿孔。
  10. 如請求項1至3中任一項所述之光學構件，其中藉助於彈簧結構將該光波導之端部區域連接至該載體基板。
  11. 如請求項10所述之光學構件，其中該光學構件具有用於激發該端部區域中之振動之微機械、電磁或聲學裝置。
  12. 如請求項11所述之光學構件，其中實施該裝置以用於該端部區域之諧振激發。
  13. 如請求項1至3中任一項所述之光學構件，其中該光波導具有適合於焊接輪廓之形狀。
  14. 一種波導雷射，其具有雷射活性介質、用於該雷射活性介質之泵浦源及具有在軸向方向上延伸之光波導之諧振器，其中根據前述請求項中之至少一項的光學構件具有用於該雷射活性介質之光波導。
  15. 一種用於製造用於光學波導之光學構件之方法，其中在載體基板中根據波導圖案構造光波導，其中藉由在該載體基板中引入切口藉助於雷射方法執行該光波導軌道圖案之該構造，且以此方式製造該各別光波導之輪廓，其中該切口是藉由在玻璃基板中釋放該光波導而形成，其中使用雷射輻射執行該光波導之後處理且引入光學有效結構。
  16. 如請求項15所述之方法，其中在表面區域中藉助於熱處理對該光波導進行圓化。
  17. 如請求項15所述之方法，其中藉由選擇該雷射輻射之雷射參數而設定光柵結構之光柵常數。
  18. 如請求項15所述之方法，其中一旦已經在該載體基板中引入該切口，就執行離子交換方法以用於改變該載體基板或該光波導之折射率。
  19. 如請求項15所述之方法，其中為了執行雷射焊接方法，首先沿著該接合輪廓使用該光波導加熱第一接合搭配物，且隨後，一旦已經移除該光波導，就將至少一個另一接合搭配物連接至該仍然經加熱之第一接合搭配物。
  20. 如請求項15所述之方法，其中藉助於雷射光束使用該雷射輻射在該載體基板中引入該切口，在短時間內將該雷射光束引導至玻璃工件上使得僅實現較佳地沿著該雷射光束之光束軸線的對該載體基板之材料之系列修改而 不會破壞該載體基板，且其中在下一步驟中，僅在該載體基板中先前藉助於該雷射光束給定一凹槽之彼等區域中執行各向異性材料移除，且以此方式將該切口引入至該載體基板中。
TW107130373A 2017-10-04 2018-08-30 光學構件、波導雷射以及製造光學構件之方法 TWI714880B (zh)

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