TWI794652B - 在光學晶體上製造微結構之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於在一光學晶體(2)上產生至少一個光學可用微結構，特定言之至少一個波導結構(8a至8c)之方法，其包括：將一脈衝雷射束(4)照射至該光學晶體(2)之一表面(2a)上；及使該脈衝雷射束(4)及該光學晶體(2)沿一饋送方向(12)相對於彼此移動，以便沿至少一個消熔路徑(13)移除該光學晶體(2)之材料，以便形成該光學可用微結構，特定言之該波導結構(8a至8c)。該脈衝雷射束(4)以小於5 ps，較佳地小於850 fs，尤其較佳地小於500 fs，特定言之小於300 fs之脈衝持續時間(τ)及小於570 nm，較佳地小於380 nm之一波長(λL )照射至該光學晶體(2)之該表面(2a)上。

Description

在光學晶體上製造微結構之方法
本發明係關於一種用於在一(特定言之非線性)光學晶體上產生至少一個光學可用微結構，特定言之至少一個波導結構之方法，其包括：將一脈衝雷射束照射至該光學晶體之一表面上；及使該脈衝雷射束及該光學晶體沿一饋送方向相對於彼此移動，以便沿至少一個消熔路徑移除該光學晶體之材料，以便形成該光學可用微結構，特定言之該波導結構。
呈光學晶體形式之結晶基板(微結構及/或波導結構被引入至其等中)可用於例如整合光學器件中且係現代(量子)光學裝置及開關之一重要要求。然而，用於產生此等結構之習知方法(諸如下文描述)在其等之靈活性及可達成設計範圍上受到限制。此外，其等之實施方案需要精巧且昂貴之程序鏈，此使有競爭力的產品之開發及建立更困難。
存在用於在光學晶體中產生(波導)結構之各種方法。一種方法包括藉由折射率修改將波導刻入至光學晶體中，如在例如T. Piromjitpong等人之文章「High-repetition-rate femtosecond-laser micromachining of low-loss optical-lattice-like-waveguides in lithium niobate」，Proc. of SPIE第10684卷(2018年)中描述。一進一步方法包括藉由雷射消熔產生微結構。
兩種方法皆係在Feng Chen等人之文章「Optical waveguides in crystalline dielectric materials produced by femtosecond-laser micromachining」，Laser Photonics第8版，第2號，2014年中描述。在該處，特別地，指定可藉由雷射消熔憑藉將溝槽引入至基板中而產生脊狀波導，在溝槽之間形成脊狀波導之側壁。在該處亦描述，以此方式產生之脊狀波導之一個缺點係在使用飛秒雷射脈衝之雷射消熔期間形成粗糙側壁，此降低脊狀波導之品質且增加其損耗。
藉由雷射消熔在鈮酸鋰(LiNbO3 )晶體中產生波導結構係在例如L. Li等人之文章「All-laser-micromachining of ridge waveguides in LiNbO3 crystal for mid-infrared band applications」，Scientific Reports 7:7034 (2017年)中描述。在該處，完全藉由憑藉一飛秒雷射之微製造在鈮酸鋰晶體中產生一脊狀波導。脊狀波導包括藉由雷射消熔移除之側壁，其等呈具有V形側腹及一雷射刻劃底部之溝槽形式。使用具有796 nm之一波長之一Ti:藍寶石固態雷射作為雷射源。
在F. Haehnel之文章「Ablation of Lithium Niobate with Pico- and Nanosecond Lasers」，LaserTechnikJournal，第9卷，第3期，2012年6月，第32頁至第35頁中，描述用於鈮酸鋰的消熔之皮秒雷射源與奈秒雷射源之間的一比較。奈秒雷射源係具有193 nm或245 nm之一波長之一UV準分子雷射。針對皮秒雷射源，使用355 nm之一波長(1064 nm之一基諧波長之三次諧波)及小於12 ps之脈衝持續時間以及200 kHz與1 MHz之間的重複率來實行比較。在比較期間，發現儘管平均功率較低，但皮秒雷射源之移除率遠大於準分子雷射源之情況，且減少裂縫之形成。文章中實行之研究係在薄膜上進行，即，未產生或特性化光學組件。
EP 0 803 747 Α2描述一種用於產生一基板之方法，其具備呈一脊狀波導之形式之一光學波導。脊狀波導藉由雷射消熔產生，例如藉由使用具有150 nm與300 nm之間的波長及奈秒範圍內之脈衝持續時間之一準分子雷射。為此，雷射束可與基板之一表面對準且移動或掃描遍及基板。在此情況中，雷射束之光學軸相對於基板之表面垂直對準。脊狀波導旨在具有儘可能矩形之一橫截面輪廓，以便避免光損耗。
US 2004/0252730 Α1描述藉由雷射消熔處理鈮酸鋰。提出使用一脈衝雷射束照射一基板之表面，以便移除材料。雷射旨在具有310 nm與370 nm之間的一波長。雷射脈衝之脈衝持續時間可為約40 ns且重複率可為約1000 kHz。雷射束及基板可相對於彼此移位，以便在鈮酸鋰上產生具有一所要幾何形狀之一溝槽。
發明目標
本發明之目標係提供一種藉由使用超短脈衝雷射輻射之雷射消熔在一光學晶體中產生至少一個光學可用微結構(特定言之一波導結構)之方法，其改良所產生之該(等)微結構之品質。發明標的物
此目標由引言中提及之類型之一方法達成，其中脈衝雷射束以小於2.5 ps，較佳地小於850 fs，更較佳地小於500 fs，特定言之小於300 fs之脈衝持續時間及小於570 nm，較佳地小於380 nm之一波長照射至光學晶體之表面上。
發明人已發現，若脈衝持續時間係約幾fs且一波長係在綠色波長範圍內(即，490 nm與570 nm之間)或更小(例如，在具有小於380 nm(且通常大於330 nm)之波長之UV波長範圍內)，則在雷射消熔期間產生之(光學可用)微結構(特定言之呈波導結構之形式)之品質可顯著增加。儘管原則上已知藉由雷射消熔產生波導結構(例如，呈脊狀波導之形式)，然此僅具有一不足品質，尤其在脊狀波導之側壁之粗糙度方面(參見上文引用Feng Chen等人之文章)。此之結果係波導結構通常僅可用於導引NIR波長範圍內之光，而不可用於導引VIS波長範圍內之光。
藉助於此處描述之方法，可降低波導之側壁之粗糙度。特定言之，亦可產生具有陡峭側壁之波導。以此方式，可產生用於導引VIS及NIR波長範圍內之光之波導結構且可藉由非線性光學程序在此等頻率範圍內產生及導引頻率轉換光。其實例係參數降頻轉換、和頻產生或高次諧波產生。除(光)波導以外，亦可藉助於此處描述之方法產生用於產生整合光學器件之其他微結構。
當將雷射束照射至光學晶體之表面上時，雷射束之一射束軸可垂直對準至光學晶體之大體上平坦表面。在此情況中，通常在一水平平面(平行於光學晶體之表面)中實行一承載裝置(例如，呈一平移平台之形式，在微結構之產生期間將大體上板狀晶體安裝於其上)之一平移移動。在此情況中，雷射處理頭(脈衝雷射束從其出射且與光學晶體之表面對準)可經靜態配置，但雷射處理頭亦可在光學晶體之表面上方移動。在此情況中，從雷射處理頭出射之雷射束通常被聚焦至光學晶體之表面上。
在該方法之一個變動中，在雷射束及光學晶體相對於彼此移動之期間，雷射束之一射束軸以相對於光學晶體之表面之一法線方向之一角度傾斜，該角度較佳地位於垂直於饋送方向之一平面中。在此變動中，雷射束並非垂直地而是以不等於0°之一角度照射光學晶體之表面。沿其移除材料之消熔路徑之饋送方向大體上平行於處理表面或基板之表面延伸。雷射束相對於表面之法線方向傾斜之角度通常位於垂直於(視情況局部變化)饋送方向延伸之一平面中。以該角度對準可達成之效應係與雷射束在表面上垂直入射之情況相比，消熔路徑之兩個側壁或側邊緣之一者更陡地延伸且在光學晶體中產生之消熔路徑之另一側壁更淺地延伸。
在一進一步變動中，角度θ位於2°與60°之間，較佳地在10°與45°之間，尤其較佳地在15°與30°之間。已發現有利的係，在指定時間間隔內選擇雷射束相對於法線方向對準之角度，以便達成消熔路徑之兩個側壁之一者儘可能陡峭地對準(即，儘可能平行於表面之法線方向)之效應。針對其中光學晶體中之消熔路徑或溝槽之側壁形成一波導之側壁之情況，儘可能陡峭之一對準係有利的，此係因為以此方式，由於在波導中導引之光穿過側壁出射而導致之光損耗可保持為小的。由於陡峭側壁及一可調整高度對寬度高寬比，可在波導中導引旋轉對稱特徵模態。藉此可最大化與光導纖維之模式重疊，此確保(量子)光學構造所必需或有利之一高效率。
針對其中旨在產生直線消熔路徑之情況，饋送方向在雷射束及光學晶體之相對移動期間係恆定的。當旨在產生曲線消熔路徑或微結構時，饋送方向可局部變化。在兩種情況中，應確保雷射束相對於光學晶體之表面之一法線方向傾斜之角度可獨立於選定(視情況局部變化)饋送方向而調整。在用於處理一靜態配置之工件之一習知靜態雷射掃描器之情況中，情況通常並非如此，此係因為雷射束在工件之表面上之一各自位置處以一預定掃描角度對準。
在一個變動中，雷射束從一雷射處理頭出射之一角度針對雷射束之射束軸之傾斜來設定，且雷射束及光學晶體相對於彼此之移動包括雷射處理頭及光學晶體相對於彼此之一移位。
如上文描述，針對雷射束之射束軸相對於光學晶體之表面之法線方向之角度之位置獨立調整，僅實行雷射束之一掃描移動係不夠的。因此，除雷射束在從雷射處理頭出射時以一可調整角度對準以外，亦實行光學晶體與雷射處理頭之間的一平移移動或一相對移位。雷射處理頭(其容許雷射束以一(掃描角度)對準)可為一鑽孔系統或一習知掃描器裝置，該掃描器裝置包括兩個可傾斜掃描鏡、大體上可繞兩個旋轉軸傾斜之一掃描鏡或一多邊形掃描器與一可傾斜掃描鏡之一組合。
在一進一步變動中，雷射束從一雷射處理頭出射之一角度針對雷射束之射束軸之傾斜來設定，且雷射束及光學晶體相對於彼此之移動藉由一掃描器裝置來實行，較佳地藉由遠心平場光學器件將雷射束在雷射處理頭中或其處聚焦至光學晶體上。
尤其針對線性波導結構之產生，已發現有利的係，藉由一掃描器(特定言之藉由一多邊形掃描器)沿饋送方向實行移動。用於使雷射束在饋送方向上(例如，在Y方向上)偏轉之一多邊形掃描器與用於使雷射束垂直於饋送方向(例如，在X方向上)偏轉之一電流計掃描器之一組合亦係可行的。在此情況中，雷射處理頭及光學晶體之表面可以一(提前)角彼此對準，該(提前)角可藉由一調整裝置(例如，藉由一測角計)機械或電氣地調適或調整。使用遠心平場光學器件將雷射束聚焦至光學晶體上係有利的，使得在光學晶體之表面法線與雷射束之光學軸之間的YZ平面中之處理期間，在XZ平面中不出現除此提前角以外的進一步角度。
在一進一步變動中，光學晶體安裝於其上之一平台相對於一水平面對準之一角度針對雷射束之射束軸之傾斜來設定。光學晶體安裝於其上之平台較佳地係一旋轉/平移平台，此容許繞至少一個旋轉軸旋轉。原則上，旋轉/平移平台可經組態以繞複數個旋轉軸旋轉，以便使其在空間中自由地定向，例如以一六腳架、測角計對或類似物之方式。
在上文描述之兩個變動中，原則上可實行一光學晶體在全部空間方向上之自由處理，此開創新類型之設計及產品可能性。
在一進一步變動中，雷射束具有一橢圓形射束輪廓，其之長寬比(長度對寬度)經選擇，使得以相對於法線方向之角度對準之雷射束以一圓形射束輪廓照射表面。已發現，若與光學晶體之表面對準之雷射束具有一圓形或旋轉對稱，較佳地高斯(Gaussian)射束輪廓，則對於消熔程序係有利的。若具有一圓形射束輪廓之一雷射束以相對於光學晶體之表面之一角度照射，則其以一橢圓形旋轉不對稱射束輪廓(光點)照射表面。然而，為在表面上產生一圓形射束輪廓，在此變動中，將具有一橢圓形射束輪廓之一雷射束照射至表面上。此一橢圓形射束輪廓可藉由射束塑形光學器件產生，例如藉助於一柱面透鏡或一望遠鏡或類似物。特定言之，此等射束塑形光學器件可經組態以修改橢圓形射束輪廓之長寬比。
下文適用於在表面上產生一圓形射束輪廓之長寬比： B/L=cos(θ)， 其中L指示長度且B係橢圓形射束輪廓之寬度，且θ指示相對於表面之法線方向之角度。在此情況中，橢圓形射束輪廓經對準，使得短側(即，寬度B)位於雷射束之射束軸相對於表面之法線方向對準之角度之平面中。
亦可為有利的係，雷射束之射束輪廓從一圓形或旋轉對稱幾何形狀故意偏離，例如以便在光學晶體之表面上產生一線焦點，如在WO 2018/019374 A1中描述，該案之全部內容以引用的方式併入本申請案之內容中。例如，此一線焦點可藉由使用不對稱模式而產生。當使用一線焦點時，同樣可改良所產生之微結構之粗糙度。
在一進一步變動中，雷射束及光學晶體沿橫向偏移消熔路徑相對於彼此移動若干次，以便在光學晶體中形成一溝槽。為形成微結構或波導，複數個消熔路徑大體上相對於彼此系統性地平行偏移。消熔路徑在晶體或晶圓之表面上之XY平面中以一直線延伸或形成彎曲結構。以此方式，例如，可產生曲折結構或錐體。通常，複數個消熔路徑橫向地且視情況垂直地(即，在光學晶體之厚度方向上)疊加。以此方式，可在光學晶體中產生具有一預定寬度及深度之溝槽。取決於所要幾何形狀，亦可根據各自消熔路徑調適雷射參數。如上文描述，使用一多邊形掃描器係有利的，其使雷射脈衝在沿溝槽之方向之饋送方向上偏轉，以便形成溝槽或產生消熔路徑。
在一進一步變動中，在光學晶體中形成一第一溝槽及一第二溝槽，第一溝槽及第二溝槽之鄰近側壁彼此具有一預定距離且該等側壁形成一脊狀波導。藉由以彼此間之一預定(大體上恆定)距離延伸之兩個溝槽，產生可在脊狀波導或波導結構中導引光之橫向限制。在最簡單情況中，溝槽可包括一單一消熔路徑，該單一消熔路徑沿饋送方向延伸或描述一直線或具有變化半徑之一曲線。然而，一般言之，沿複數個消熔路徑移除材料，以便形成溝槽(上文所見)。已發現，執行消熔路徑之幾何形狀係有利的，以便形成相對於脊狀波導之側壁鏡像對稱之第一溝槽及第二溝槽，即，在兩個溝槽之形成期間朝向或遠離於脊狀波導之各自側壁實行消熔。
在一個改進中，在第一溝槽及第二溝槽之形成期間，至少沿緊鄰脊狀波導之一各自側壁延伸之消熔路徑，雷射束之射束軸以相對於基板之表面之一法線方向之一角度傾斜，該角度遠離於脊狀波導之各自側壁傾斜。緊鄰側壁延伸之消熔路徑旨在意謂至多十個消熔路徑，其等經配置成最緊鄰脊狀波導之側壁。可藉由使雷射束之射束軸遠離於脊狀波導之側壁傾斜而達成之效應係脊狀波導之側壁儘可能陡峭地延伸，即，儘可能平行於光學晶體之表面之法線方向。
針對一溝槽之全部消熔路徑，雷射束之射束軸相對於法線方向對準之角度可為恆定的。在此情況中，在兩個溝槽之各者中產生面向波導之一陡峭側壁。然而，亦可沿一各自溝槽之寬度變化雷射束相對於法線方向對準之角度。特定言之，該角度可經修改，使得沿緊鄰背離脊狀波導之一溝槽側壁延伸之消熔路徑，相對於法線方向之角度遠離於背離脊狀波導之側壁傾斜。以此方式，可在兩個側上產生具有陡峭側壁或陡峭側腹之一溝槽。此可為有利的，以便形成進一步波導結構或脊狀波導。特定言之，在此情況中，第一溝槽及第二溝槽可具有一相同橫截面。
在此變動之一個改進中，在一各自溝槽之形成期間，雷射束被聚焦至一焦平面上，該焦平面對應於光學晶體之表面。在將各消熔路徑執行至先前產生之溝槽之表面上之後重新調整焦平面(即，將焦平面逐步降低至光學晶體之表面下方)亦係可行的。
在一進一步改進中，雷射束及光學晶體在溝槽之一側壁上沿相同消熔路徑相對於彼此移動若干次，此形成脊狀波導之一側壁。以此方式，達成邊緣或側壁之平滑化。在消熔路徑之首次執行期間，可調整針對表面磨損最佳化之一組雷射參數。在消熔路徑之第二次及各進一步執行期間，可調整針對平滑化最佳化之一組不同雷射參數。然而，側壁之平滑化並非絕對必要的且亦可根據要求省略。
在一進一步變動中，光學晶體係選自包括鈮酸鋰(LiNbO3 )、鉭酸鋰LiTa、KTP (磷酸鈦氧鉀)之群組。如上文描述，在此(及其他)光學晶體中，頻率轉換光之產生及波導兩者皆可藉由非線性光學程序實行。藉由上文描述之方法，在此一光學晶體中，可產生其側壁具有Ra ＜40 nm之一低粗糙度之波導。波導之(近似)垂直側壁之低粗糙度及產生亦使導引可見波長範圍內之光變得可能。
在一進一步變動中，光學晶體具有用於平面波導之一折射率結構且特定言之經組態為一LNOI (絕緣體上鈮酸鋰)或PELN (質子交換鈮酸鋰)。特定言之，可在具有用於平面波導之一折射率結構之預處理光學晶體上使用上文描述之方法，以便產生在波導中導引之光之垂直限制。當使用此等光學晶體時(例如，在LNOI之情況中)，需要關注經消熔溝槽之深度(近似)對應於導引層之高度或厚度，此係因為否則將發生光損耗。原則上，藉由憑藉脈衝雷射束將折射率結構引入至光學晶體中，亦可在不具有一折射率變動之一光學晶體中產生垂直限制。
在一進一步變動中，藉由一固態雷射產生脈衝雷射束。固態雷射使得可產生具有fs範圍內之非常短脈衝持續時間之雷射脈衝。藉由倍頻或頻率倍增，固態雷射可產生綠色波長範圍內(例如，515 nm)或UV波長範圍內(例如，343 nm)之波長。作為一替代方案，視情況可藉由一準分子雷射產生脈衝雷射束。
在一進一步變動中，該方法包括：將一流體供應至光學晶體之表面，以便帶走所移除材料。藉由改良帶走經消熔材料之方式，可達成溝槽或波導結構之側壁之一改良粗糙度。例如，流體可為一大體上惰性程序氣體，其較佳地在光學晶體之表面上與饋送方向相反地饋送。作為一替代方案，所供應流體可為一液體。原則上，可在雷射束從其出射之雷射處理頭與光學晶體之表面之間引入一液體，以便減小雷射束之光點大小。
通常使用約600 kHz與1000 kHz之間的重複率作為用於上文描述之消熔之雷射參數。重複率可變化，即，簡言之，高重複率，其後接著長脈衝暫停以用於消熔(叢發操作)。典型饋送速度係在約500 mm/s與1500 mm/s之間，且因此高於習知產生方法。平均雷射功率約係在約0.5瓦特與2瓦特之間，且每雷射脈衝之能量輸入約係在0.5 µJ與5 µJ之間。藉由避免用於產生波導結構之遮罩，可進一步產生一具成本效益之程序鏈。亦達成與習知產生方法相比之更大靈活性，使得亦可以上文描述之方式產生具有相對複雜幾何形狀之波導。波導結構或整合光學器件可為例如光學耦合器、光學開關或邏輯組件等。
在一進一步變動中，該方法包括：使用於移除材料之較佳脈衝雷射束及光學晶體相對於彼此移動，尤其在波導結構之區域中，以便在光學晶體中產生具有小於50 µm之週期長度之一週期性極化結構。在此變動中，藉由用於材料消熔之雷射束另外在光學晶體上方行進一或多次，以便產生一極化結構而將光學晶體之材料之週期性極化之步驟直接整合至程序鏈中。在另一方面，在用於引入週期性極化之習知方法中，需要藉由偶極施加一電場。
在一個變動中，該方法包括：使用用於移除材料之較佳脈衝雷射束透過一相位遮罩曝光光學晶體，尤其在波導結構之區域中，以便在光學晶體中產生具有小於10 µm之週期長度之一週期性極化結構。亦在此情況中，用於消熔之雷射束被用於將週期性極化引入至光學晶體之材料中。由於在此變動中，極化結構藉由相位遮罩來界定，所以可使用小於上文描述之變動中之情況之一週期長度產生週期性極化。
可在描述及圖式中發現本發明之進一步優點。同樣地，上文提及之特徵及下文提及之特徵可獨立地使用，或其等之若干者可以任何所要組合使用。所展示及描述之實施例不應被解釋為一窮盡性清單，而應具有本發明之描述之一例示性性質。
在圖式之以下描述中，相同參考係用於相同或功能上等效之組件。
圖 1 展示用於在呈一光學晶體2之形式(例如，呈一晶圓之形式)之一基板上產生微結構之一設備1之一例示性結構。設備1包括用於產生一雷射束4之一雷射源3，該雷射束4藉由圖1中指示之一射束導引傳送至一雷射處理頭5。雷射處理頭5將雷射束4引導至光學晶體2上且特定言之引導至光學晶體2之一表面2a上，該表面2a在所展示實例中形成光學晶體2之平坦上側。
在圖1中展示之實例中，雷射源3係一固態雷射，其經組態以產生330 nm與570 nm (或550 nm)之間的一波長λL 之雷射束4。例如，雷射源3可經組態以產生343 nm (即，在UV波長範圍內)或532 nm (即，在綠色波長範圍內)之一波長λL 之雷射束4。雷射源3之固態介質可為例如Yb:YAG。雷射源3經組態以產生具有ps或fs範圍內之脈衝持續時間之一脈衝雷射束4。針對下文描述之方法，小於5 ps，例如小於850 fs，特定言之小於500 fs，視情況小於300 fs之脈衝持續時間τ已被發現係有利的。
經組態用於產生具有此等脈衝持續時間之一脈衝雷射束4之雷射源3可為例如一圓盤雷射、板形雷射或光纖雷射。作為一替代方案，可使用一準分子雷射，即使此通常不適合於產生fs範圍內之脈衝持續時間。
脈衝雷射束4照射至面向雷射處理頭5之光學晶體2之表面2a上。如圖1中可見，雷射束4之一射束軸6相對於光學晶體2之表面2a垂直對準，此在所展示實例中形成處理平面。光學晶體2安裝於一平移平台7上，該平移平台7可藉助於致動器(未以圖形表示)在一XYZ座標系統之X方向上及獨立於其在Y方向上及在Z方向上移位。平移平台7亦可繞在Z方向上對準之一旋轉軸旋轉。
如圖1中可見，在憑藉脈衝雷射束4對光學晶體2進行材料移除處理期間，呈在Y方向上延伸之三個平行對準波導結構之形式之微結構以脊狀波導8a至8c之形式形成，其等具有一實質上矩形橫截面。為此，憑藉脈衝雷射束4將同樣在Y方向上延伸之四個平行對準溝槽10a至10d引入至光學晶體2中。三個脊狀波導8a至8c分別配置於兩個鄰近溝槽10a至10d之間。
如圖1中藉由第一脊狀波導8a之實例表示，第一溝槽10a及鄰近第二溝槽10b具有彼此間之一預定恆定距離A，其在所展示實例中係在兩個溝槽10a、10b之底部處量測且例如可為約15 µm。第一溝槽10a之一右側壁11a及第二溝槽10b之面向第一溝槽10a之一鄰近左側壁11b形成第一脊狀波導8a之側壁11a、11b。相同情況適用於溝槽10b至10d以及第二脊狀波導8b及第三脊狀波導8c。
為產生溝槽10a至10d且以此方式形成脊狀波導8a至8c，脈衝雷射束4及光學晶體2相對於彼此移動。在圖1中展示之實例中，雷射處理頭5經靜態配置。為產生脈衝雷射束4及光學晶體2相對於彼此之一移動，因此使平移平台7沿一饋送方向12移動，此對應於XYZ座標系統之Y方向。在此情況中，脈衝雷射束4沿橫向(即，在X方向上)偏移之消熔路徑13移動若干次，以便產生一各自溝槽10a至10d，如圖2中藉由第二溝槽10b之實例表示。應理解，光學晶體2沿一個各自消熔路徑13之移動可發生在正Y方向上，且鄰近消熔路徑13可在負Y方向上執行，以便加速消熔程序。
如圖1中藉由一箭頭指示，可將一流體F (其在所展示實例中形成一惰性氣體(例如氮)之一氣流)供應至光學晶體2之表面2a。氣流或流體F與圖1中之饋送方向12相反地對準，以便帶走所移除或經消熔材料。例如，可藉助於配裝至雷射處理頭5之一噴嘴產生氣流。
在圖1中展示之實例中，在各情況中，約七十個消熔路徑13在X方向上橫向偏移，以便形成一各自溝槽10a至10d，在圖2中展示其等之兩個鄰近消熔路徑13。在所展示實例中，兩個鄰近消熔路徑13之間的橫向偏移係約3 µm。憑藉配置於雷射處理頭5中之一聚焦裝置(未以圖形表示)(例如，呈一聚焦透鏡之形式)將脈衝雷射束4聚焦至光學晶體2上，且特定言之在一焦平面E中，其在圖2中展示之實例中與光學晶體2之表面2a近似重合。在圖2中展示之實例中，雷射束4之(最小)焦點直徑係約17 µm。
脈衝雷射束4之參數針對光學晶體2之材料之表面磨損而最佳化。然而，應理解，僅在饋送方向上沿一單一消熔路徑13移動雷射束4可足以形成一溝槽10a至10d。為增加一各自溝槽10a至10d之深度，沿複數個橫向偏移消熔路徑13移除材料之上文描述程序可視情況重複若干次，使得消熔路徑13垂直地上下疊置。以此方式，可產生具有一所要寬度及深度之一各自溝槽10a至10d。
為平滑化第二溝槽10b之圖2中展示之側壁11b (其形成第一脊狀波導8a之(右)側壁)，光學晶體2及雷射束4在饋送方向12上沿相同消熔路徑13相對於彼此移動若干次(例如，至少五次)。在此情況中，在消熔路徑13之首次執行期間之雷射參數(例如，脈衝持續時間τ、饋送速度、(平均功率)等)可不同於在消熔路徑13之第二次、第三次、…執行期間使用之雷射參數：在此實例中，在消熔路徑13之首次執行期間之雷射參數針對表面磨損而最佳化，而在消熔路徑13之第二次、第三次、…執行期間之雷射參數針對平滑化脊狀波導8a之側壁11b而最佳化。
如圖2中可見，已以上文描述之方式產生之脊狀波導8a之側壁11a、11b不完全垂直於光學晶體2之表面2a延伸，而是相對於光學晶體2之表面2a之垂直或法線方向14稍微傾斜。
為產生具有儘可能陡峭之側面11a、11b之脊狀波導8a至8c，如圖1中表示，已發現有利的係，在消熔期間或在脈衝雷射束4及光學晶體2相對於彼此之移動期間，使雷射束4之射束軸6以相對於光學晶體2之表面2a之法線方向14之一角度θ傾斜，且特定言之在所展示實例中橫向於饋送方向12 (即，在XZ平面中)。
為達成此，雷射處理頭5可包括一掃描器裝置15，該掃描器裝置15使得可調整雷射束4從雷射處理頭5出射之一(掃描)角度θ，如圖 3 中藉由實例表示。掃描器裝置15 (鑽孔系統)通常包括可獨立於彼此傾斜之兩個掃描鏡、可繞兩個旋轉軸旋轉之一掃描鏡或一多邊形掃描器與一可旋轉鏡掃描器或掃描鏡之一組合，以便不僅能夠在XZ平面中調整角度θ(如圖3中表示)，而且能夠在雷射束6從雷射處理頭5出射時以任何所要方式定向或對準雷射束6。例如，掃描器裝置15可包括一多邊形掃描器，以便使雷射束4在YZ平面中沿饋送方向12偏轉，以便形成溝槽10a至10d。在此情況中，有利的係，呈遠心平場光學器件之形式之一聚焦裝置經配置於雷射處理頭5中，以便將雷射束4在偏轉之後聚焦至光學晶體2上。
由於藉助於平移平台7使光學晶體2在X方向及Y方向上移位之可能性，可在XY平面中針對饋送方向12之各定向調整掃描角度θ，而獨立於雷射束4照射光學晶體2之表面2a之位置。此係有利的，因為雷射束4之射束軸6相對於光學晶體2之表面2a之法線方向14對準之掃描角度θ通常旨在在垂直於饋送方向12之一平面中對準，如下文描述。圖3藉由實例展示雷射束4之射束軸6可在XZ平面中相對於法線方向14對準之兩個掃描角度-θ、+θ。
圖 4 展示用於使雷射束4以相對於光學晶體2之法線方向14之一角度θ對準之一進一步可能性：在此實例中，光學晶體2安裝於其上之平台7係一平移/旋轉平台，該平移/旋轉平台可以相對於一水平面(XY平面)之一角度θ傾斜。平移/旋轉平台7通常可繞一個以上旋轉軸傾斜。以此方式，可依據各自選定饋送方向12修改角度θ所處之平面。特定言之，平移/旋轉平台7可為一六腳架、一測角計或類似物。
應理解，可視情況組合圖3及圖4中描述之用於調整雷射束4之射束軸6相對於法線方向14對準之角度θ之兩種可能性。
為產生圖1中展示之具有儘可能陡峭之側面11a、11b之波導8a至8c，可實行如結合圖1描述之材料消熔，以便產生溝槽10a至10d。與上文描述之方法相比，雷射束4之射束軸6以相對於光學晶體2之表面2a之法線方向14之一角度-θ、+θ傾斜，該角度在一各自溝槽10a至10d之形成期間至少沿緊鄰於各自脊狀波導8a、8b、…之一側壁11a、11b延伸之消熔路徑13遠離於各自側壁11a、11b傾斜，如圖 5 中藉由第一脊狀波導8a之實例表示。
為產生垂直於光學晶體2之表面2a對準之儘可能陡峭之側壁11a、11b，已發現有利的係，角度θ在2°與60°之間，較佳地在10°與45°之間，特定言之在15°與30°之間。如在圖2中展示之實例中，在圖5中展示之實例中，亦將雷射束4聚焦至與光學晶體2之表面2a重合之一焦平面E上。各自側壁11a、11b之平滑化可以上文結合圖1描述之方式實行。在將各消熔路徑13執行至先前產生之溝槽或先前移除之材料之表面上之後重新調整焦平面E (即，將焦平面逐步降低至光學晶體2之表面2a下方)亦係可行的。
雷射束4相對於法線方向14對準之角度θ可針對一各自溝槽10a、10b之全部消熔路徑13係相同的(即，恆定)，但角度θ亦可在橫向方向上變化。例如，在背離脊狀波導8a之各自溝槽10a、10b之側壁附近之消熔路徑13之角度θ可與圖5之表示相反地對準，以便亦在該處產生儘可能陡峭之側壁。
如圖5中藉由箭頭指示，以從背離脊狀波導8a之側壁11a、11b之側延伸至面向脊狀波導8a之側壁11a、11b之各自溝槽10a、10b之側之一順序產生兩個溝槽10a、10b中之消熔路徑13。此一消熔順序以及在兩個溝槽10a、10b中從脊狀波導8a之兩個側壁11a、11b開始朝向溝槽10a、10b之相對側實行消熔之一消熔順序亦已被發現係有利的。
若雷射束4具有一圓形射束輪廓且若其以相對於光學晶體2之表面2a之法線方向14之一角度θ對準，則其以一橢圓形射束輪廓照射光學晶體2之表面2a。然而，針對消熔，已發現有利的係，雷射束4以儘可能旋轉對稱之一射束輪廓(通常係一高斯射束輪廓)照射光學晶體2之表面2a。為確保雷射束4以一圓形射束輪廓15b照射表面2a (即使以相對於法線方向14之一角度θ對準)，如圖 6 中表示，以一橢圓形射束輪廓15a產生雷射束4係有利的，該橢圓形射束輪廓15a之長寬比(即，長度L對寬度B之比)經選擇，使得雷射束4以一圓形射束輪廓15b照射表面2a。
針對在表面2a上產生一圓形射束輪廓15b之橢圓形射束輪廓15a之長寬比，下文適用： B/L=cos(θ)。
在此情況中，短側(即，橢圓形射束輪廓15a之寬度B)位於XZ平面中，角度θ亦定位於其中。
圖 7 展示呈一光學耦合器16之形式之整合光學器件，其包括已以上文描述之方式藉由雷射消熔產生之兩個脊狀波導8a、8b，藉由移除周圍材料，使得除兩個脊狀波導8a、8b以外，僅剩餘一絕緣體層2’。光學晶體2 (已由其形成脊狀波導8a、8b)在所展示實例中係LNOI，即，施覆在絕緣體層2’上之LiNbO3 。脊狀波導8a、8b之垂直限制係由絕緣體層2’產生。如圖7中可見，脊狀波導8a、8b並非直線而具有一曲線區段，以便達成光學耦合。可藉助於上文描述之方法產生並非直線之此等及其他波導幾何形狀。
用於移除光學晶體2之材料之雷射束4亦可用於在光學晶體2中產生週期性極化或一週期性極化結構。週期性極化旨在意謂(非線性)光學晶體2之(非線性)偏光之定向之週期性反轉，使得形成具有相反偏光之區域或域。可藉由使雷射束4及光學晶體相對於彼此移動(通常在(若干)波導結構8a至8c之區域中)而在光學晶體2中產生具有小於例如50 µm之一週期長度之此一週期性極化結構。移動較佳地沿一或多個路徑(雷射束4沿其或其等在光學晶體2上方行進)實行，以便產生週期性極化結構。
當使用用於移除材料之雷射束4透過一相位遮罩曝光或照射光學晶體2時，亦可在光學晶體2中產生一週期性極化結構，曝光通常發生在波導結構8a至8c之區域中。當使用一相位遮罩時，通常可產生具有較小週期長度(例如，具有小於10 µm之週期長度)之週期性極化結構。
應理解，波導結構8a至8c亦可以上文描述之方式在除鈮酸鋰以外的光學晶體2中產生，例如在LiTa、KTP等中。此等及其他光學晶體2在處理之前可已具有用於平面波導之一折射率結構(例如，呈PELN之形式)。亦可憑藉上文描述之方法處理以其他方式預處理之光學晶體2，以便產生微結構或波導結構。
1:設備 2:光學晶體 2’:絕緣體層 2a:表面 3:雷射源 4:雷射束 5:雷射處理頭 6:射束軸 7:平移平台 8a至8c:脊狀波導 10a至10d:溝槽 11a:側壁/側面 11b:側壁/側面 12:饋送方向 13:消熔路徑 14:法線方向 15:掃描器裝置 15a:橢圓形射束輪廓 15b:圓形射束輪廓 16:光學耦合器 A:距離 B:寬度 E:焦平面 F:流體 L:長度
在圖式中： 圖1展示用於藉由憑藉一脈衝雷射束移除材料以便形成平行延伸之複數個溝槽而在一光學晶體上產生波導結構之一設備之一示意性表示， 圖2以橫截面展示在藉由雷射消熔之產生期間之圖1之溝槽之兩者， 圖3展示類似於圖1之一設備之一表示，其具有用於以相對於光學晶體之表面之一角度對準雷射束之一雷射處理頭， 圖4展示類似於圖1之一設備之一表示，其具有光學晶體安裝於其上之一可傾斜平台， 圖5展示在產生具有近似垂直側壁之一脊狀波導之期間之材料之雷射消熔之一表示， 圖6展示具有一橢圓形射束輪廓之一雷射束之一表示，其以相對於法線方向之一角度照射至光學晶體之表面上，及 圖7展示具有已藉由雷射消熔產生之兩個脊狀波導之一光學耦合器之一表示。
1:設備
2:光學晶體
2a:表面
3:雷射源
4:雷射束
5:雷射處理頭
6:射束軸
7:平移平台
8a至8c:脊狀波導
10a至10d:溝槽
11a:側壁/側面
11b:側壁/側面
12:饋送方向
14:法線方向
A:距離
F:流體

Claims (24)

  1. 一種用於在一光學晶體(2)上產生至少一個光學可用微結構之方法，其包括：將一脈衝雷射束(4)照射至該光學晶體(2)之一表面(2a)上，使該脈衝雷射束(4)及該光學晶體(2)沿一饋送方向(12)相對於彼此移動，以便沿至少一個消熔(ablation)路徑(13)移除該光學晶體(2)之材料，以便形成該光學可用微結構，其特徵為該脈衝雷射束(4)以小於5ps之一脈衝持續時間(τ)及小於570nm之一波長(λL)照射至該光學晶體(2)之該表面(2a)上，其中在該雷射束(4)及該光學晶體(2)相對於彼此之移動期間，該雷射束(4)之一射束軸(6)以相對於該光學晶體(2)之該表面(2a)之一法線方向(14)之一角度(θ)傾斜，該角度(θ)較佳位於垂直於該饋送方向(12)之一平面(XZ)中。
  2. 如請求項1之方法，其中該角度位於2°與60°之間。
  3. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該雷射束(4)從一雷射處理頭(5)出射(emerge)之一角度(θ)針對該雷射束(4)之該射束軸(6)之該傾斜來設定，且其中該雷射束(4)及該光學晶體(2)相對於彼此之該移動包括該雷射處理頭(5)及該光學晶體(2)相對於彼此之一移位。
  4. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該雷射束(4)從一雷射處理頭(5) 出射之一角度(θ)針對該雷射束(4)之該射束軸(6)之該傾斜來設定，且其中該雷射束(4)及該光學晶體(2)相對於彼此之該移動憑藉一掃描器裝置(15)來實行，較佳地憑藉遠心(telecentric)平場光學器件將該雷射束(4)在該雷射處理頭(5)中聚焦至該光學晶體(2)上。
  5. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該光學晶體(2)安裝於其上之一平台(7)相對於一水平面(XY)對準之一角度(θ)針對該雷射束(4)之該射束軸之該傾斜來設定。
  6. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該雷射束(4)具有一橢圓形射束輪廓(15a)，該橢圓形射束輪廓(15a)之長寬比(L/B)經選擇，使得以相對於該法線方向(14)之該角度(θ)對準之該雷射束(4)以一圓形射束輪廓(15b)照射該表面(2a)。
  7. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該雷射束(4)及該光學晶體(2)沿橫向偏移消熔路徑(13)相對於彼此移動若干次以便在該光學晶體(2)中形成一溝槽(10a至10d)。
  8. 如請求項1或2中任一項之方法，其中在該光學晶體(2)中形成一第一溝槽(10a)及一第二溝槽(10b)，該第一溝槽(10a)及該第二溝槽(10b)之鄰近側壁(11a、11b)具有彼此間之一預定距離(A)且該等側壁(11a、11b)形成一脊狀(ridge)波導(8a)。
  9. 如請求項8之方法，其中在該第一溝槽及該第二溝槽(10a、10b)之該形成期間，至少沿緊鄰該脊狀波導(8a)之一各自側壁(11a、11b)延伸之消熔路徑(13)，該雷射束(4)之該射束軸(6)以相對於該光學晶體(2)之該表面(2a)之一法線方向之一角度(-θ、+θ)傾斜，該角度遠離於該脊狀波導(8a)之該各自側壁(11a、11b)傾斜。
  10. 如請求項9之方法，其中在一各自溝槽(10a、10b)之該形成期間，該雷射束(4)被聚焦至一焦平面(E)上，該焦平面(E)定位於該光學晶體(2)之該表面(2a)上。
  11. 如請求項8之方法，其中該雷射束(4)及該光學晶體(2)在該溝槽(10a、10b)之一側壁(11a、11b)上沿相同消熔路徑(13)相對於彼此移動若干次，此形成該脊狀波導(8a)之一側壁(11a、11b)。
  12. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該光學晶體(2)係選自由以下項組成之群組：LiNbO3、LiTa、KTP。
  13. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該光學晶體(2)具有一折射率結構且經組態為一LNOI或PELN。
  14. 如請求項1或2中任一項之方法，其中該脈衝雷射束(4)係由一固態雷射源(3)產生。
  15. 如請求項1或2中任一項之方法，其進一步包括：將一流體(F)供應至該光學晶體(2)之該表面(2a)以便帶走所移除材料。
  16. 如請求項1或2中任一項之方法，其進一步包括：使用於移除材料之該雷射束(4)及該光學晶體(2)相對於彼此移動，尤其在該波導結構(8a至8c)之一區域中，以便在該光學晶體(2)中產生具有小於50μm之週期長度之一週期性極化結構。
  17. 如請求項1或2中任一項之方法，其進一步包括：使用用於移除材料之該雷射束(4)透過一相位遮罩曝光該光學晶體(2)，尤其在該波導結構(8a至8c)之一區域中，以便在該光學晶體(2)中產生具有小於10μm之週期長度之一週期性極化結構。
  18. 如請求項1之方法，其中該脈衝持續時間(τ)小於850fs。
  19. 如請求項1之方法，其中該脈衝持續時間(τ)小於500fs。
  20. 如請求項1之方法，其中該脈衝持續時間(τ)小於300fs。
  21. 如請求項1之方法，其中該波長(λL)小於380nm。
  22. 如請求項2之方法，其中該角度(θ)位於10°與45°之間。
  23. 如請求項2之方法，其中該角度(θ)位於15°與30°之間。
  24. 如請求項1之方法，其中該至少一個光學可用微結構為至少一個波導結構(8a至8c)。
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