基于飛秒激光誘導離子交換的波導制備裝置及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光集成領域，涉及一種基于飛秒激光誘導離子交換的波導制備裝置及制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著光通訊領域的發展，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的研發顯得愈來愈重要。波導是光集成器件的最基本單元之一，其制備技術的優良至關重要。目前波導的制備技術主要有離子注入技術，離子交換技術，硅基波導技術和飛秒激光直與技術等。
[0003]離子注入技術主要是通過將被電場加速了的高能離子直接注入到光學材料中以改變材料的原有結構，產生低折射率損傷層，進而材料表層成為了相對高折射率的波導芯層，這種技術往往需要退火等后續處理工藝以去除波導制備過程中產生的缺陷，因而難以得到具有圓對稱波導截面的波導。離子交換技術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行交換，從而改變折射率形成波導，這種技術可以制備出低損耗、低成本的波導，但制備工藝復雜，制備速度慢。硅基波導技術是上世紀90年代以來快速發展的新技術，以單晶硅為基底，在其上面生長具有較低折射率的絕緣層，然后在絕緣層上生長芯層，通過腐蝕技術可以得到具有大折射率差的波導，易于實現小曲率半徑的彎曲波導，然而這種技術工藝復雜，成本高昂，且存在與單模光纖之間模場失配的問題。前述三種技術均只能制備淺表層波導，而飛秒激光直寫技術則是利用聚焦了的飛秒激光與光學材料直接作用，從而在材料內部誘導出永久性的折射率變化(該折射率變化的機理包括材料結構改變稠密化、色心機制、應力機制等)。由于激光加工特有的靈活性，飛秒激光直寫技術可以在材料內部加工出三維波導，且通過空間光整形可以方便的調控波導截面的形狀；由于飛秒激光直寫技術可以刻寫出截面尺寸與單模光纖纖芯截面尺寸相當的波導，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刻寫的波導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產生缺陷和應力殘余。
[0004]本發明要解決的技術問題是提供一種基于飛秒激光誘導離子交換的波導制備裝置及制備方法，可制備出具有大折射率差的波導。
[0005]本發明的技術方案:
[0006]基于飛秒激光誘導離子交換的波導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玻璃和三維移動臺；其特殊之處在于:該裝置還包括半波片、薄膜偏振片和快門。前述半波片設置在飛秒激光脈沖源的輸出光路上，薄膜偏振片設置在半波片的輸出光路上，聚焦物鏡設置在薄膜偏振片的輸出光路上，光學玻璃放置在三維移動臺上并且位于聚焦物鏡的成像焦面上。前述光學玻璃由三維移動臺控制移動，且光學玻璃的移動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置有快門。前述飛秒激光脈沖源為重復頻率之10kHZ的高重頻飛秒脈沖源;前述聚焦物鏡的數值孔徑2 0.55，物鏡倍數2 50 X。
[0007]為降低在激光刻寫過程中產生的缺陷和殘余應力，進而降低波導的傳輸損耗，上述波導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，其中第一透鏡設置在激光源的輸出光路上，第二透鏡的成像焦點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域與所述聚焦物鏡在磷酸鹽玻璃上的聚焦區域一致。
[0008]上述激光源是中心波長為976nm的連續激光源。
[0009]上述金屬離子為鑭離子和鉀離子;所述光學玻璃為磷酸鹽玻璃。
[0010]基于上述飛秒激光誘導離子交換的波導制備裝置，本發明還提供了一種制備波導的方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0011](I)開啟飛秒激光脈沖源，產生高重頻飛秒激光。
[0012](2)調整半波片和薄膜偏振片，以控制聚焦到光學玻璃上的飛秒激光功率在刻寫要求的范圍內。
[0013](3)在激光刻寫的同時使用連續激光經第一透鏡縮束和第二透鏡準直后照射在光學玻璃上，并且照射區域與激光刻寫的聚焦區域始終保持一致，用以降低在激光刻寫過程中產生的缺陷和殘余應力，最終形成具有大折射率差、傳輸損耗較小的波導。
[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玻璃上，與此同時，三維移動臺控制光學玻璃沿與飛秒激光的入射方向垂直的方向移動;在光學玻璃上飛秒激光的聚焦區域發生光子吸收等一系列非線性效應并發生軟化，同時受聚焦區域的強光場的誘導，聚焦區域原本均勻分布的離子將發生區域性的同種離子間高濃度富集現象，即在聚焦區域的光學玻璃內部高價態離子富集的區域折射率升高，低價態離子富集的區域折射率降低，從而形成具有大折射率差的波導。
[0015]本發明是采用橫向刻寫(即飛秒激光脈沖的入射方向和光學玻璃的移動方向垂直)的方式將高重頻的飛秒激光脈沖通過高數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玻璃內部，在焦點區域產生超高的光功率密度，誘導材料中原本均勻分布的離子出現同種離子間區域性地高濃度富集現象，從而改變材料中激光刻寫痕跡線上化學元素的空間分布，最終在高相對原子質量的離子聚集區域形成具有大折射率差的波導(波導的折射率差可達10—卜10—3)，波導截面形狀可以通過空間光調制方便地調控。
[0016]本發明的優點是:
[0017]1、制成的波導折射率差大
[0018]本發明采用重復頻率210kHZ的高重頻飛秒脈沖源結合數值孔徑2 0.55的聚焦物鏡，可制成折射率差為10—卜10—3的波導。
[0019]2、可避免波導存在缺陷和應力殘余問題
[0020]本發明在飛秒激光刻寫的同時對光學玻璃進行加熱，有效的改善了傳統飛秒直寫方式制成的波導存在缺陷和應力殘留的問題。
[0021]3、損耗低、成本低。
[0022]說明書附圖
[0023]圖1為本發明的結構不意圖；
[0024]圖2為采用本發明所制成的波導的橫截面示意圖；
[0025]圖3為采用本發明所制成的波導的立體示意圖；
[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。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步的說明。
[0028]如圖1所示，本發明所提供的基于飛秒激光誘導離子交換的波導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玻璃16和三維移動臺。半波片12設置在飛秒激光脈沖源11的輸出光路上，薄膜偏振片13設置在半波片12的輸出光路上，聚焦物鏡15設置在薄膜偏振片13的輸出光路上，光學玻璃16放置在三維移動臺上并且位于聚焦物鏡15的成像焦面上。光學玻璃16由三維移動臺控制移動，且光學玻璃16的移動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系的X軸平行，光學玻璃16在空間直角坐標系的YOZ面上移動)。為更精準的控制飛秒激光脈沖源I的開啟和光學玻璃16的運動同步，在薄膜偏振片13和聚焦物鏡15之間的光路上設置有快門14。為制備具有大折射率差的波導，飛秒激光脈沖源I采用重復頻率2 10kHZ的高重頻飛秒脈沖源；聚焦物鏡5采用數值孔徑之0.55、物鏡倍數2 50 X的高倍數、高數值孔徑的聚焦物鏡。
[0030]熱輻照裝置2包括中心波長為976nm的連續激光源21、第一透鏡22和第二透鏡23，其中第一透鏡22設置在激光源21的輸出光路上，第二透鏡23的成像焦點位于第一透鏡22的成像焦面上，并且第二透鏡23的輸出光束在光學玻璃16上的輻照區域與聚焦物鏡15在光學玻璃16上的聚焦區域一致。
[0031]本發明在飛秒激光刻寫過程中只要保證光學玻璃16的移動方向始終與飛秒激光脈沖源11的輸出光路垂直即可，光學玻璃16沿直線運動即可制成直線波導，光學玻璃16沿曲線運動即可制成曲線波導。
[0032]基于上述飛秒激光誘導離子交換的波導制備裝置，本發明還提供了一種制備波導的方法，該方法包括以下步驟:
[0033](I)開啟飛秒激光脈沖源11，產生高重頻飛秒激光；
[0034](2)調整半波片12和薄膜偏振片13