[发明专利]一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法

权利要求书

1.一种在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤1）超快激光辐照

取一透明材料样品，将其固定放置在可计算机编程的三维位移平台上，通过显微物镜将超快激光聚焦到样品内部，利用三维平台驱动样品移动；超快激光对样品空间选择性改性，直写加工出通道图案；所述通道图案由微通道和辅助通道构成，辅助通道连接微通道与样品上表面且等间距均匀地分布在微通道上；其中，在直写加工微通道图案时，对超快激光空间光束整形或控制激光功率变化，从而形成不同截面形状和大小的微通道；

步骤2）化学腐蚀

将超快激光辐照后的透明材料样品放入化学腐蚀溶液中，对所述的通道图案进行化学腐蚀，直至所有通道完全腐蚀贯通，制得具有三维几何构型的微通道结构；

步骤3）导波材料填充

采用压力驱动装置将导波材料作为波导芯层介质引入所述微通道结构内，在微通道中充满导波材料，制得三维光波导及光子器件结构；其中：

所述的导波材料为折射率高于透明材料样品本体的液体或者固体；液体包括离子盐溶液、有机溶液或液晶；所述的有机溶液包括石蜡油、1-溴代萘及其混合物；固体包括聚合物、固态电介质材料；所述的聚合物包括聚全氟丁烯基乙烯基醚即PBVE、聚四氟乙烯即PTFE；所述的固态 电介质包括二氧化硅及掺杂GeO₂、P₂O₅或B₂O₃的二氧化硅；其中，通过将聚合物溶解到溶剂中、固体加热至熔点，引入微通道；

所述光子器件结构由光波导与光波导分束结构、光波导耦合结构或光波导模场转换结构构成；所述光子器件结构包括杨氏干涉计、3dB分束器、定向耦合器、多模干涉耦合器、模场转换器、微环谐振腔、光波导光栅、马赫-曾德尔干涉仪、光波导波分复用器以及这些结构的衍生体和组合体；

在光波导和光子器件结构制备完毕后，在样品中集成微电极、微加热器或微光学结构，增加光子调控功能。

2.根据权利要求 1 所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，在微通道结构制备完毕后，采用高温炉退火、氢氧焰加热、二氧化碳激光抛光、干法刻蚀或磨粒流抛光，降低微通道内表面粗糙度。

3.根据权利要求 1 所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，在微通道结构制备完毕后，采用聚合物薄膜聚二甲基硅氧烷即PDMS键合或二氧化碳激光熔融法，将辅助通道密封。

4.根据权利要求1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的透明材料样品为玻璃、晶体或透明聚合物。

5.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的超快激光的脉冲宽度范围为10 fs-100 ps。

6.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的化学腐蚀溶液为2-20wt%的氢氟酸溶液、20-50wt%、80-90℃的氢氧化钾溶液或20-50wt%的磷酸溶液。

7.根据权利要求 1所述的在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的方法，其特征在于，所述的压力驱动装置为注射器、注射泵、蠕动泵或柱塞泵。