[发明专利]基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法

说明书

本发明属于光集成领域，提供了一种基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法，以解决传统飞秒激光直写技术所制备的波导折射率差较小的弊端。本发明所提供的波导制备装置包括依次设置在飞秒激光脉冲源输出光路上的半波片、薄膜偏振片、快门、聚焦物镜以及掺杂了多种金属离子的光学玻璃。光学玻璃位于三维移动台上,由三维移动台控制移动，且光学玻璃的移动方向与飞秒激光脉冲源的输出光路垂直。本发明所用的飞秒激光脉冲源为重复频率≥100kHZ的高重频飞秒脉冲源；聚焦物镜的数值孔径≥0.55，物镜倍数≥50×。本发明可制成具有大折射率差的波导，同时能有效改善传统飞秒直写方式制成的波导存在缺陷和应力残留的问题，从而降低了波导损耗。

技术领域

本发明属于光集成领域，涉及一种基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法。

背景技术

随着光通讯领域的发展，高集成度、高可靠性、低功耗和低成本的光集成器件制备技术的研发显得愈来愈重要。波导是光集成器件的最基本单元之一，其制备技术的优良至关重要。目前波导的制备技术主要有离子注入技术，离子交换技术，硅基波导技术和飞秒激光直写技术等。

离子注入技术主要是通过将被电场加速了的高能离子直接注入到光学材料中以改变材料的原有结构，产生低折射率损伤层，进而材料表层成为了相对高折射率的波导芯层，这种技术往往需要退火等后续处理工艺以去除波导制备过程中产生的缺陷，因而难以得到具有圆对称波导截面的波导。离子交换技术则是在一定条件下使要掺杂的离子与衬底材料中的特定离子进行交换,从而改变折射率形成波导，这种技术可以制备出低损耗、低成本的波导，但制备工艺复杂，制备速度慢。硅基波导技术是上世纪90年代以来快速发展的新技术，以单晶硅为基底，在其上面生长具有较低折射率的绝缘层，然后在绝缘层上生长芯层，通过腐蚀技术可以得到具有大折射率差的波导，易于实现小曲率半径的弯曲波导，然而这种技术工艺复杂，成本高昂，且存在与单模光纤之间模场失配的问题。前述三种技术均只能制备浅表层波导，而飞秒激光直写技术则是利用聚焦了的飞秒激光与光学材料直接作用，从而在材料内部诱导出永久性的折射率变化(该折射率变化的机理包括材料结构改变稠密化、色心机制、应力机制等)。由于激光加工特有的灵活性，飞秒激光直写技术可以在材料内部加工出三维波导，且通过空间光整形可以方便的调控波导截面的形状；由于飞秒激光直写技术可以刻写出截面尺寸与单模光纤纤芯截面尺寸相当的波导，因此与单模光纤耦合起来方便。然而通过飞秒激光直写技术刻写的波导存在折射率差较小的问题(10^-3～10^-4)，且加工过程中往往会产生缺陷和应力残余。

本发明要解决的技术问题是提供一种基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置及制备方法，可制备出具有大折射率差的波导。

本发明的技术方案：

基于飞秒激光诱导离子交换的波导制备装置包括飞秒激光脉冲源、聚焦物镜、掺杂了多种金属离子的光学玻璃和三维移动台；其特殊之处在于：该装置还包括半波片、薄膜偏振片和快门。前述半波片设置在飞秒激光脉冲源的输出光路上，薄膜偏振片设置在半波片的输出光路上，聚焦物镜设置在薄膜偏振片的输出光路上，光学玻璃放置在三维移动台上并且位于聚焦物镜的成像焦面上。前述光学玻璃由三维移动台控制移动，且光学玻璃的移动方向与飞秒激光脉冲源的输出光路垂直。在前述薄膜偏振片和聚焦物镜之间的光路上设置有快门。前述飞秒激光脉冲源为重复频率≥100kHZ的高重频飞秒脉冲源；前述聚焦物镜的数值孔径≥0.55，物镜倍数≥50×。

为降低在激光刻写过程中产生的缺陷和残余应力，进而降低波导的传输损耗，上述波导制备装置还包括热辐照装置。所述热辐照装置包括激光源、第一透镜和第二透镜，其中第一透镜设置在激光源的输出光路上，第二透镜的成像焦点位于第一透镜的成像焦面上，并且第二透镜的输出光束在磷酸盐玻璃上的辐照区域与所述聚焦物镜在磷酸盐玻璃上的聚焦区域一致。

上述激光源是中心波长为976nm的连续激光源。

上述金属离子为镧离子和钾离子；所述光学玻璃为磷酸盐玻璃。