[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

说明书

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，该方法基于超快激光选择性湿法刻蚀在透明材料内部制备出三维微通道，然后在微通道内填充导波材料，形成三维光波导。通过制作不同空间构型的微通道结构，能够实现多种功能性光波导器件的可控制备。相比于传统的光波导制备方法，该方法具有如下技术优势：通过灵活选取填充材料，能够实现近红外、中红外波段波导、偏振无关波导和有源波导器件的高质量制备，而且光波导模场灵活可控，可具有较小的弯曲半径；结合超快激光加工的三维特性，可以在芯片上高密度集成复杂的三维光子回路。因此，该方法在光通信网络、光互连、天文光子学、微流控芯片等领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明涉及集成光波导制备技术和集成光波导器件领域以及超快激光微纳加工领域，特别是利用超快激光在透明材料内部制备三维光波导及光子器件结构的方法。

背景技术

光波导制备技术是一项应用性极强的技术。为了实现对光的传输和操控，基于不同的材料，人们发展出各种光波导制备技术。利用光波导可制成各种特性的光波导器件，将光波导和光波导器件集成可构成有特定功能的集成光路。然而，当前的制备技术制作的光波导大多是平面二维光波导，适用材料受限、应用范围较窄、制作工艺复杂。

超快激光是当今激光科学技术的研究前沿，近年来在微纳加工应用方面快速发展。超快激光能够深入到透明材料内部，实现真正意义上的三维加工，而且加工精度高，热效应小。作为一项先进、精密的微纳加工工具，超快激光能够在透明材料内部制备微光学元件与微流通道等微结构，对材料进行高精度烧蚀，在材料表面形成多种功能性修饰结构。这些技术特点，使其成为诸多领域内器件微型化、集成化的有力工具。例如，在化学、光子学等前沿领域中，采用超快激光微纳加工技术可以制备微流控生化芯片、光子芯片。飞秒激光脉冲能够在透明电介质材料内直接诱导出光波导，实现类似于光纤的导波能力。该技术能够轻松制备任意构型的三维光波导，与微流体、微电极、微机械等在芯片上集成，能够解决许多平面光波导技术无法胜任的工作，在光通信、天文光子学、微流体芯片、量子信息等领域产生了崭新的重要应用。自1996年K. M. Davis等人发现利用飞秒激光可以在透明电介质材料内直接诱导出光波导结构以来，国内外研究小组对飞秒激光直写光波导材料、直写方式进行了大量的研究（参见文献：Davis K M, Miura K,et al.,Opt.Lett., Vol.21:P1729,1996）。飞秒激光直写光波导主要有由改性区域折射率增加作为芯层形成的第I类波导或者由改性区域折射率降低作为包层形成的第II类波导。在熔石英玻璃等重要的光学材料中获得的第I类光波导折射率改变在10^-3~10^-4范围，而且存在偏振依赖性。第II类光波导，需要多次直写波导包层，加工复杂。虽然飞秒激光直写光波导技术经过大量的研究，但是目前仍存在很多瓶颈性问题，例如，折射率改变有限、模场不易操控等（参见文献：Liu ZM, Liao Y, et al.,Sci. China. Phys. Mech.Vol.61:P 070322,2018）。这大大限制了超快激光直写在芯片上高密度三维集成光子操控单元的能力，也限制了该项技术在多个领域的实际应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有的飞秒激光直写光波导技术制备的光波导折射率改变有限、弯曲半径较大、模场大小难以控制，以及现有的主要光波导制备技术只能制备平面二维光波导等缺点，而提出的一种利用超快激光在透明材料内制备三维光波导及光子器件结构的新方法。

实现本发明目的的具体技术方案是：

本发明公开了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，其包括：

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；