專利名稱：利用超短激光脈沖制備平面光波導(dǎo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光子器件的制備技術(shù)領(lǐng)域，是一種利用超短激光脈沖在激光波長透明的電介質(zhì)材料體內(nèi)精密制備平面光波導(dǎo)及其相關(guān)波導(dǎo)光子器件的方法。
隨著超短脈沖激光的發(fā)展，在90年代，飛秒脈沖鈦藍(lán)寶石激光器的發(fā)展成為迄今應(yīng)用最廣泛的激光光源。飛秒激光具有與普通激光不同的超快超強特性，與材料相互作用時可以引起材料各種物理化學(xué)性質(zhì)的變化。對于電介質(zhì)材料，飛秒激光等超快超強激光脈沖在材料體內(nèi)通過雙光子或多光子吸收等非線性光學(xué)過程，可以引起光致折射率變化。本發(fā)明選用低數(shù)值孔徑的顯微物鏡來聚焦飛秒激光脈沖用以制造平面光波導(dǎo)和及其相關(guān)器件如耦合器的技術(shù)，屬于首創(chuàng)，它第一次實現(xiàn)了平面光波導(dǎo)及其相關(guān)器件的快速制備。
本發(fā)明利用超短激光脈沖制備平面光波導(dǎo)的方法如下根據(jù)制備平面光波導(dǎo)所需的寬度，選用合適的N.A.≤0.3的低數(shù)值孔徑顯微鏡將超短激光脈沖聚焦至對激光波長透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)，激光脈沖與電介質(zhì)材料相互作用產(chǎn)生自陷等非線性光學(xué)效應(yīng)，形成長絲狀傳輸，長絲光束引起傳輸區(qū)域折射率改變，通過移動樣品，讓折射率變化長絲在樣品內(nèi)橫向移動，從而形成層狀的折射率改變，實現(xiàn)平面光波導(dǎo)的制備。
所述超強激光脈沖可以采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器等及脈沖放大系統(tǒng)發(fā)生，其輸出激光脈沖的重復(fù)頻率可以為1Hz到幾十MHz可變調(diào)節(jié)，脈寬從幾十飛秒到幾十皮秒等范圍可變。
所述樣品可以是無機(jī)光學(xué)玻璃、無機(jī)鹽晶體、熔融石英和有機(jī)光致聚合物等透明電介質(zhì)材料。
所述樣品可以利用數(shù)控平移臺來控制其移動方向和速度，讓樣品垂直于激光束移動，從而使激光束在樣品內(nèi)自陷傳播產(chǎn)生的折射率變化長絲在樣品內(nèi)橫向移動。
為了在樣品移動的同時精確地將波導(dǎo)制備在相應(yīng)位置上，可以采用快門來控制激光脈沖在樣品中寫入開始和停止，即在樣品移動到相應(yīng)位置時，快門打開放出激光脈沖進(jìn)行加工制備，制備完畢時快門關(guān)閉。該快門可以由計算機(jī)同步實時控制。
一般在飛秒激光輸出模式較好的情況下，不需要空間濾波。在輸出模式較差時，為制備高質(zhì)量光波導(dǎo)，可以用小孔空間濾波器進(jìn)行空間濾波，再用倒置顯微鏡進(jìn)行空間擴(kuò)束，以得到較好的空間基模，并注入聚焦系統(tǒng)。
對于其他特殊形狀的光波導(dǎo)，如弧形、X型、Y型和T型等，只要控制激光在樣品中的行走方向即可得到。光耦合器的制備也類似先設(shè)計好耦合區(qū)域的耦合長度和波導(dǎo)之間耦合距離等有關(guān)參數(shù)，通過精密控制樣品相對光束的移動即可獲得。與波導(dǎo)相關(guān)的光學(xué)器件的制備，如波導(dǎo)型Mach-Zehnder干涉儀、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、光調(diào)制器、光開關(guān)、光濾波器和波分復(fù)用器等，同理只需修改樣品移動平臺控制參數(shù)即可。
實現(xiàn)上述平面光波導(dǎo)和耦合器等相關(guān)器件制備方法的加工裝置由以下幾個部分組成，加工步驟按這些組成部分搭建起來(一)光源采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光等短脈沖激光系統(tǒng)，其輸出激光脈沖的重復(fù)頻率可以為1Hz到幾十MHz可變調(diào)節(jié)，輸出波長可變，脈寬從幾十飛秒到幾十皮秒等范圍可變。
(二)光束濾波系統(tǒng)一般情況下，激光輸出模式較好，不需要空間濾波。在輸出模式較差時，將飛秒激光光源輸出的光束用小孔進(jìn)行空間濾波，再用倒置顯微鏡進(jìn)行空間擴(kuò)束，以得到較好的空間基模，并注入聚焦系統(tǒng)。
(三)聚焦系統(tǒng)采用平場復(fù)消色差低數(shù)值孔徑物鏡對激光束聚焦。焦點必須在樣品體內(nèi)合適距離，以利于產(chǎn)生自陷激光束。根據(jù)制備平面波導(dǎo)所需的寬度，選用相應(yīng)低數(shù)值孔徑的顯微鏡。一般情況下，可采用普通的低數(shù)值孔徑透鏡聚焦。
(四)樣品移動平臺目前用于精密制備的工作平臺多種多樣，考慮樣品需要移動的范圍和調(diào)制精度，可采用相應(yīng)型號的三維移動平臺。目前有在空間上移動位置的精確度可以達(dá)到亞微米到納米量級甚至更小的型號，可以對樣品內(nèi)波導(dǎo)的位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。對樣品加工精度要求不高時，可采用普通一維、二維、三維等數(shù)控平移臺。
(五)實時加工計算機(jī)控制系統(tǒng)為了在數(shù)控平臺移動的同時精確地將波導(dǎo)制備在相應(yīng)位置上，可以采用計算機(jī)同步實時控制快門和數(shù)控平臺。利用快門，在數(shù)控平臺移動到相應(yīng)位置時，快門打開放出激光脈沖進(jìn)行加工制備。所用快門可以由計算機(jī)控制、與三維數(shù)控平臺同步工作。這種快門可準(zhǔn)確實現(xiàn)短時間曝光，如可達(dá)1/8000秒以下的曝光量。這樣對重復(fù)率低的脈沖激光，可選取到單個脈沖。
(六)波導(dǎo)模式和折射率分布調(diào)制方法經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)區(qū)域的折射率分布以及相關(guān)的波導(dǎo)輸出光強分布模式與激光脈沖寫入?yún)?shù)有關(guān)。通過精密控制寫入能量、寫入速度和脈寬等參數(shù)，可得到符合要求的光波導(dǎo)器件，可以通過能量衰減器和能量計控制能量。
(七)同步監(jiān)控系統(tǒng)可以在樣品的后面或側(cè)面加上CCD攝像機(jī)，由計算機(jī)從CCD采集到的同步波導(dǎo)成型圖像，從而同步監(jiān)控制備過程。
(八)檢測系統(tǒng)首先，可利用有相襯顯微、微分干涉顯微等功能的光學(xué)顯微鏡，并配合高分辨CCD攝像機(jī)，觀察較小折射率變化的光波導(dǎo)圖象，粗略判斷波導(dǎo)加工質(zhì)量。
其次，對波導(dǎo)折射率和光強輸出模式分析有多種方法，如根據(jù)平面光波導(dǎo)輸出的數(shù)值孔徑來估算平面光波導(dǎo)的核心與周圍體介質(zhì)的折射率之差。平面光波導(dǎo)的折射率分布曲線和輸出光強模式分布可以通過近場光強分布圖像分析計算得到，從光波導(dǎo)輸出端口得到激光光束的近場光強分布圖，取圖樣上的光強分布點，由下式可推導(dǎo)出折射率分布和輸出光強分布曲線Δn(x,y)=[β22nsk02-▿2E(x,y)2nsk02E(x,y)]-ns2]]>另外，平面光波導(dǎo)耦合器等相關(guān)器件的耦合效率、串?dāng)_和插入損耗等參數(shù)測量，可以從其中一個波導(dǎo)輸入端口將激光輸入，在波導(dǎo)輸出端口得到光強，再與理論值和推算得到。
綜上所述，利用本發(fā)明的方法，只要調(diào)節(jié)激光脈沖能量、脈寬和樣品移動速度、范圍等參數(shù)，即可實現(xiàn)快速高精度制備光波導(dǎo)及其相關(guān)器件。與現(xiàn)有其他制備方法相比，本發(fā)明的方法具備如下優(yōu)點(1)制備方法簡單，容易實施。只需將激光束準(zhǔn)直輸入到樣品相應(yīng)位置上，精確控制樣品移動即可。
(2)容易制備各種形狀的光波導(dǎo)。不同形狀的光波導(dǎo)只需改變樣品移動方向即可。
(3)適用范圍廣。對于由平面光波導(dǎo)構(gòu)成的光子器件，如Mach-Zehnder干涉儀、陣列波導(dǎo)光柵(AWG)、光調(diào)制器、光開關(guān)、光濾波器和波分復(fù)用器等器件的制備，只需控制這些器件中相應(yīng)光波導(dǎo)的加工即可。
(4)便于集成器件的加工。將激光直接聚焦到樣品體內(nèi)，可在樣品體內(nèi)多層制備，或?qū)⒏鞣N器件直接連接成一體，結(jié)構(gòu)精致緊湊，減少各種損耗。
(5)加工質(zhì)量好，而且是無接觸式的。利用超短激光脈沖與樣品極短時間作用，避免熱積累效應(yīng)等不良因素的影響。無接觸式加工可避免對樣品的損壞，適應(yīng)各種透明樣品加工，制備的波導(dǎo)平整，傳輸效率高。
(6)制備速度快，設(shè)備價格也不高。
圖6為采用本發(fā)明方法制得的由雙波導(dǎo)組成的直接耦合器側(cè)面圖；圖7為圖6所示耦合器的對應(yīng)縱向圖。
圖中，1-超短脈沖激光器，2-輸出激光光束，3-小孔空間濾波器，4-能量衰減器，5-能量計，6-快門，7-低數(shù)值孔徑聚焦顯微鏡，8-樣品，9-三維數(shù)控平移臺，10-CCD探測器，11-電線，12-計算機(jī)，13-測試激光器，14-輸出測試激光光束，15-起偏器，16-透鏡，17-波導(dǎo)器件樣品，18-三維平移臺，19-檢偏器。
實施例一平面光波導(dǎo)的制備如

圖1所示，超短脈沖激光器1采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，其輸出激光光束2波長為800nm(納米)左右，脈寬約為120fs(飛秒)，輸出激光光束2經(jīng)過小孔空間濾波器3濾波得到空間基模，經(jīng)能量衰減器4和能量計5調(diào)節(jié)得到適當(dāng)能量后，經(jīng)快門6，再用低數(shù)值孔徑聚焦顯微鏡7進(jìn)行聚焦到數(shù)控平移臺9上的樣品8上。所用單脈沖能量約1.56μJ，由于激光束在樣品8體內(nèi)造成折射率改變而產(chǎn)生的長絲大約為100μm多。當(dāng)以8.6μm/s的速度垂直自陷激光光束移動樣品時，橫截面為2μm×100μm的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可行成，平面光波導(dǎo)長度可以由樣品的移動距離確定。由側(cè)面和縱向的CCD探測器10，可得到分別如圖3和圖4所示的制得的平面光波導(dǎo)的側(cè)面圖和縱向圖。計算機(jī)12用于同步實時控制快門6和三維數(shù)控平移臺9，以使得在三維數(shù)控平移臺9移動的同時精確地將波導(dǎo)制備在樣品8內(nèi)合適的位置上。
采用如圖2所示檢測光路，利用近場光學(xué)方法測得，平面光波導(dǎo)的核心與周圍體介質(zhì)的折射率之差Δn≈0.0045。折射率和模式分布如圖5所示。實施例二雙波導(dǎo)光直接耦合器的制備與制備平面單波導(dǎo)基本一樣，如圖1所示，超短脈沖激光器1采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，其輸出激光光束2波長為800nm(納米)左右，脈寬約為120fs(飛秒)，輸出激光光束2經(jīng)過小孔空間濾波器3濾波得到空間基模，經(jīng)能量衰減器4和能量計5調(diào)節(jié)得到適當(dāng)能量后，經(jīng)快門6，再用低數(shù)值孔徑聚焦顯微鏡7進(jìn)行聚焦到三維數(shù)控平移臺9上的樣品8上。所用單脈沖能量約1.56μJ，由于激光束在樣品8體內(nèi)造成折射率改變而產(chǎn)生的長絲大約為100μm多。當(dāng)以8.6μm/s的速度垂直自陷激光光束移動樣品時，橫截面為2μm×100μm的平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可行成，平面光波導(dǎo)長度可以由樣品的移動距離確定。將樣品移回起始位置，在與第一條波導(dǎo)上下相隔7.5μm處以同樣速度和能量制備另一條平面波導(dǎo)。圖6和圖7分別為制得的雙波導(dǎo)光耦合器的側(cè)面圖和縱向圖。同樣道理，可再寫入一條波導(dǎo)成為三波導(dǎo)耦合器。
同例1采用如圖2所示的檢測光路，用近場光學(xué)方法可測得，平面光波導(dǎo)的核心與周圍體介質(zhì)的折射率之差Δn≈0.0045。
其它波導(dǎo)器件的制備方法與上述例子類似，實驗證明光耦合器的器件的耦合情況與理論相符合。
權(quán)利要求
1.利用超短激光脈沖制備平面光波導(dǎo)的方法，其特征是根據(jù)制備平面波導(dǎo)所需的寬度，選用N.A.≤0.3的相應(yīng)低數(shù)值孔徑的顯微鏡，將超短激光脈沖聚焦至對激光波長透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)，激光脈沖與材料相互作用產(chǎn)生自陷等非線性光學(xué)效應(yīng)，形成長絲狀傳輸，長絲光束引起傳輸區(qū)域折射率改變，通過移動樣品，讓折射率變化長絲在樣品內(nèi)橫向移動，從而形成層狀的折射率改變，實現(xiàn)平面光波導(dǎo)的制備。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于超短激光脈沖采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器及脈沖放大系統(tǒng)發(fā)生。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述樣品選自無機(jī)光學(xué)玻璃、無機(jī)鹽晶體、熔融石英和有機(jī)光致聚合物的透明電介質(zhì)材料。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于所述激光脈沖先用小孔進(jìn)行空間濾波，用倒置顯微鏡進(jìn)行空間擴(kuò)束，再進(jìn)行聚焦。
5.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于所述樣品的移動是利用數(shù)控平臺來控制樣品的移動方向和速度。
6.如權(quán)利要求1或2或3所述的方法，其特征在于采用快門來控制激光脈沖在樣品中的寫入開始和停止。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述樣品的移動是利用數(shù)控平臺來控制樣品的移動方向和速度。
8.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于采用快門來控制激光脈沖在樣品中的寫入開始和停止。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于采用快門來控制激光脈沖在樣品中的寫入開始和停止。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用超短激光脈沖制備平面光波導(dǎo)的方法。根據(jù)制備平面光波導(dǎo)所需的寬度,選用N.A.≤0.3的低數(shù)值孔徑顯微鏡將超短激光脈沖聚焦至對激光波長透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi),激光脈沖與電介質(zhì)材料相互作用產(chǎn)生自陷等非線性光學(xué)效應(yīng),形成長絲狀傳輸,長絲光束引起傳輸區(qū)域折射率改變,通過移動樣品,讓折射率變化長絲在樣品內(nèi)橫向移動,從而形成層狀的折射率改變,實現(xiàn)平面光波導(dǎo)的制備。對于其他特殊形狀的光波導(dǎo),只要控制激光在樣品中的行走方向即可得到。利用本發(fā)明的方法,只要調(diào)節(jié)激光脈沖能量、脈寬和樣品移動速度、范圍等參數(shù),即可實現(xiàn)快速高精度制備光波導(dǎo)及其相關(guān)器件。
文檔編號G02B6/12GK1381736SQ0212117
公開日2002年11月27日 申請日期2002年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月11日
發(fā)明者龔旗煌, 羅樂, 蔣紅兵, 郭亨長, 楊宏 申請人:北京大學(xué)