基于飛秒激光誘導(dǎo)離子交換的波導(dǎo)制備裝置及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光集成領(lǐng)域，涉及一種基于飛秒激光誘導(dǎo)離子交換的波導(dǎo)制備裝置及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光通訊領(lǐng)域的發(fā)展，高集成度、高可靠性、低功耗和低成本的光集成器件制備技術(shù)的研發(fā)顯得愈來愈重要。波導(dǎo)是光集成器件的最基本單元之一，其制備技術(shù)的優(yōu)良至關(guān)重要。目前波導(dǎo)的制備技術(shù)主要有離子注入技術(shù)，離子交換技術(shù)，硅基波導(dǎo)技術(shù)和飛秒激光直與技術(shù)等。
[0003]離子注入技術(shù)主要是通過將被電場(chǎng)加速了的高能離子直接注入到光學(xué)材料中以改變材料的原有結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生低折射率損傷層，進(jìn)而材料表層成為了相對(duì)高折射率的波導(dǎo)芯層，這種技術(shù)往往需要退火等后續(xù)處理工藝以去除波導(dǎo)制備過程中產(chǎn)生的缺陷，因而難以得到具有圓對(duì)稱波導(dǎo)截面的波導(dǎo)。離子交換技術(shù)則是在一定條件下使要摻雜的離子與襯底材料中的特定離子進(jìn)行交換，從而改變折射率形成波導(dǎo)，這種技術(shù)可以制備出低損耗、低成本的波導(dǎo)，但制備工藝復(fù)雜，制備速度慢。硅基波導(dǎo)技術(shù)是上世紀(jì)90年代以來快速發(fā)展的新技術(shù)，以單晶硅為基底，在其上面生長(zhǎng)具有較低折射率的絕緣層，然后在絕緣層上生長(zhǎng)芯層，通過腐蝕技術(shù)可以得到具有大折射率差的波導(dǎo)，易于實(shí)現(xiàn)小曲率半徑的彎曲波導(dǎo)，然而這種技術(shù)工藝復(fù)雜，成本高昂，且存在與單模光纖之間模場(chǎng)失配的問題。前述三種技術(shù)均只能制備淺表層波導(dǎo)，而飛秒激光直寫技術(shù)則是利用聚焦了的飛秒激光與光學(xué)材料直接作用，從而在材料內(nèi)部誘導(dǎo)出永久性的折射率變化(該折射率變化的機(jī)理包括材料結(jié)構(gòu)改變稠密化、色心機(jī)制、應(yīng)力機(jī)制等)。由于激光加工特有的靈活性，飛秒激光直寫技術(shù)可以在材料內(nèi)部加工出三維波導(dǎo)，且通過空間光整形可以方便的調(diào)控波導(dǎo)截面的形狀；由于飛秒激光直寫技術(shù)可以刻寫出截面尺寸與單模光纖纖芯截面尺寸相當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)，因此與單模光纖耦合起來方便。然而通過飛秒激光直寫技術(shù)刻寫的波導(dǎo)存在折射率差較小的問題(10—3?10一4)，且加工過程中往往會(huì)產(chǎn)生缺陷和應(yīng)力殘余。
[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種基于飛秒激光誘導(dǎo)離子交換的波導(dǎo)制備裝置及制備方法，可制備出具有大折射率差的波導(dǎo)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]基于飛秒激光誘導(dǎo)離子交換的波導(dǎo)制備裝置包括飛秒激光脈沖源、聚焦物鏡、摻雜了多種金屬離子的光學(xué)玻璃和三維移動(dòng)臺(tái)；其特殊之處在于:該裝置還包括半波片、薄膜偏振片和快門。前述半波片設(shè)置在飛秒激光脈沖源的輸出光路上，薄膜偏振片設(shè)置在半波片的輸出光路上，聚焦物鏡設(shè)置在薄膜偏振片的輸出光路上，光學(xué)玻璃放置在三維移動(dòng)臺(tái)上并且位于聚焦物鏡的成像焦面上。前述光學(xué)玻璃由三維移動(dòng)臺(tái)控制移動(dòng)，且光學(xué)玻璃的移動(dòng)方向與飛秒激光脈沖源的輸出光路垂直。在前述薄膜偏振片和聚焦物鏡之間的光路上設(shè)置有快門。前述飛秒激光脈沖源為重復(fù)頻率之10kHZ的高重頻飛秒脈沖源;前述聚焦物鏡的數(shù)值孔徑2 0.55，物鏡倍數(shù)2 50 X。
[0007]為降低在激光刻寫過程中產(chǎn)生的缺陷和殘余應(yīng)力，進(jìn)而降低波導(dǎo)的傳輸損耗，上述波導(dǎo)制備裝置還包括熱輻照裝置。所述熱輻照裝置包括激光源、第一透鏡和第二透鏡，其中第一透鏡設(shè)置在激光源的輸出光路上，第二透鏡的成像焦點(diǎn)位于第一透鏡的成像焦面上，并且第二透鏡的輸出光束在磷酸鹽玻璃上的輻照區(qū)域與所述聚焦物鏡在磷酸鹽玻璃上的聚焦區(qū)域一致。
[0008]上述激光源是中心波長(zhǎng)為976nm的連續(xù)激光源。
[0009]上述金屬離子為鑭離子和鉀離子;所述光學(xué)玻璃為磷酸鹽玻璃。
[0010]基于上述飛秒激光誘導(dǎo)離子交換的波導(dǎo)制備裝置，本發(fā)明還提供了一種制備波導(dǎo)的方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0011](I)開啟飛秒激光脈沖源，產(chǎn)生高重頻飛秒激光。
[0012](2)調(diào)整半波片和薄膜偏振片，以控制聚焦到光學(xué)玻璃上的飛秒激光功率在刻寫要求的范圍內(nèi)。
[0013](3)在激光刻寫的同時(shí)使用連續(xù)激光經(jīng)第一透鏡縮束和第二透鏡準(zhǔn)直后照射在光學(xué)玻璃上，并且照射區(qū)域與激光刻寫的聚焦區(qū)域始終保持一致，用以降低在激光刻寫過程中產(chǎn)生的缺陷和殘余應(yīng)力，最終形成具有大折射率差、傳輸損耗較小的波導(dǎo)。
[0014]上述步驟(3)中激光刻寫的具體過程為:按下快門，使飛秒激光通過聚焦物鏡聚焦到光學(xué)玻璃上，與此同時(shí)，三維移動(dòng)臺(tái)控制光學(xué)玻璃沿與飛秒激光的入射方向垂直的方向移動(dòng);在光學(xué)玻璃上飛秒激光的聚焦區(qū)域發(fā)生光子吸收等一系列非線性效應(yīng)并發(fā)生軟化，同時(shí)受聚焦區(qū)域的強(qiáng)光場(chǎng)的誘導(dǎo)，聚焦區(qū)域原本均勻分布的離子將發(fā)生區(qū)域性的同種離子間高濃度富集現(xiàn)象，即在聚焦區(qū)域的光學(xué)玻璃內(nèi)部高價(jià)態(tài)離子富集的區(qū)域折射率升高，低價(jià)態(tài)離子富集的區(qū)域折射率降低，從而形成具有大折射率差的波導(dǎo)。
[0015]本發(fā)明是采用橫向刻寫(即飛秒激光脈沖的入射方向和光學(xué)玻璃的移動(dòng)方向垂直)的方式將高重頻的飛秒激光脈沖通過高數(shù)值孔徑的聚焦物鏡直接聚焦于摻雜了多種金屬離子的光學(xué)玻璃內(nèi)部，在焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生超高的光功率密度，誘導(dǎo)材料中原本均勻分布的離子出現(xiàn)同種離子間區(qū)域性地高濃度富集現(xiàn)象，從而改變材料中激光刻寫痕跡線上化學(xué)元素的空間分布，最終在高相對(duì)原子質(zhì)量的離子聚集區(qū)域形成具有大折射率差的波導(dǎo)(波導(dǎo)的折射率差可達(dá)10—卜10—3)，波導(dǎo)截面形狀可以通過空間光調(diào)制方便地調(diào)控。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0017]1、制成的波導(dǎo)折射率差大
[0018]本發(fā)明采用重復(fù)頻率210kHZ的高重頻飛秒脈沖源結(jié)合數(shù)值孔徑2 0.55的聚焦物鏡，可制成折射率差為10—卜10—3的波導(dǎo)。
[0019]2、可避免波導(dǎo)存在缺陷和應(yīng)力殘余問題
[0020]本發(fā)明在飛秒激光刻寫的同時(shí)對(duì)光學(xué)玻璃進(jìn)行加熱，有效的改善了傳統(tǒng)飛秒直寫方式制成的波導(dǎo)存在缺陷和應(yīng)力殘留的問題。
[0021]3、損耗低、成本低。
[0022]說明書附圖
[0023]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0024]圖2為采用本發(fā)明所制成的波導(dǎo)的橫截面示意圖；
[0025]圖3為采用本發(fā)明所制成的波導(dǎo)的立體示意圖；
[0026]其中:1-刻寫裝置；11-飛秒激光脈沖源；12-半波片；13-薄膜偏振片；14-快門；15-聚焦物鏡;16-光學(xué)玻璃;2-熱輻照裝置;21-激光源;22-第一透鏡;23-第二透鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明所提供的基于飛秒激光誘導(dǎo)離子交換的波導(dǎo)制備裝置包括刻寫裝置I和熱輻照裝置2。
[0029]刻寫裝置I包括飛秒激光脈沖源11、半波片12、薄膜偏振片13、快門14、聚焦物鏡
15、摻雜了多種金屬離子的光學(xué)玻璃16和三維移動(dòng)臺(tái)。半波片12設(shè)置在飛秒激光脈沖源11的輸出光路上，薄膜偏振片13設(shè)置在半波片12的輸出光路上，聚焦物鏡15設(shè)置在薄膜偏振片13的輸出光路上，光學(xué)玻璃16放置在三維移動(dòng)臺(tái)上并且位于聚焦物鏡15的成像焦面上。光學(xué)玻璃16由三維移動(dòng)臺(tái)控制移動(dòng)，且光學(xué)玻璃16的移動(dòng)方向與飛秒激光脈沖源11的輸出光路垂直(即從飛秒激光脈沖源11輸出的脈沖激光的光路與空間直角坐標(biāo)系的X軸平行，光學(xué)玻璃16在空間直角坐標(biāo)系的YOZ面上移動(dòng))。為更精準(zhǔn)的控制飛秒激光脈沖源I的開啟和光學(xué)玻璃16的運(yùn)動(dòng)同步，在薄膜偏振片13和聚焦物鏡15之間的光路上設(shè)置有快門14。為制備具有大折射率差的波導(dǎo)，飛秒激光脈沖源I采用重復(fù)頻率2 10kHZ的高重頻飛秒脈沖源；聚焦物鏡5采用數(shù)值孔徑之0.55、物鏡倍數(shù)2 50 X的高倍數(shù)、高數(shù)值孔徑的聚焦物鏡。
[0030]熱輻照裝置2包括中心波長(zhǎng)為976nm的連續(xù)激光源21、第一透鏡22和第二透鏡23，其中第一透鏡22設(shè)置在激光源21的輸出光路上，第二透鏡23的成像焦點(diǎn)位于第一透鏡22的成像焦面上，并且第二透鏡23的輸出光束在光學(xué)玻璃16上的輻照區(qū)域與聚焦物鏡15在光學(xué)玻璃16上的聚焦區(qū)域一致。
[0031]本發(fā)明在飛秒激光刻寫過程中只要保證光學(xué)玻璃16的移動(dòng)方向始終與飛秒激光脈沖源11的輸出光路垂直即可，光學(xué)玻璃16沿直線運(yùn)動(dòng)即可制成直線波導(dǎo)，光學(xué)玻璃16沿曲線運(yùn)動(dòng)即可制成曲線波導(dǎo)。
[0032]基于上述飛秒激光誘導(dǎo)離子交換的波導(dǎo)制備裝置，本發(fā)明還提供了一種制備波導(dǎo)的方法，該方法包括以下步驟:
[0033](I)開啟飛秒激光脈沖源11，產(chǎn)生高重頻飛秒激光；
[0034](2)調(diào)整半波片12和薄膜偏振片13