[發明專利]利用超短激光脈沖制備平面光波導的方法

無效

• 申請號: 02121176.0
• 申請日: 2002-06-11
• 公開（公告）號: CN1381736A
• 公開（公告）日: 2002-11-27
• 發明（設計）人: 龔旗煌;羅樂;蔣紅兵;郭亨長;楊宏
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/136
• 代理公司: 北京華一君聯專利事務所
• 代理人: 余長江

技術領域：

本發明屬于光子器件的制備技術領域，是一種利用超短激光脈沖在激光波長透明的電介質材料體內精密制備平面光波導及其相關波導光子器件的方法。

背景技術：

當前高科技發展需要精密度越來越高的制備技術。在這些制備技術中，微細光電子器件的制備占據了非常重要的地位。近年來在光電子工業里，信息光學和光通信行業等逐漸使用可集成器件，平面波導是耦合器等相關器件的基礎，是最重要元件之一。

隨著超短脈沖激光的發展，在90年代，飛秒脈沖鈦藍寶石激光器的發展成為迄今應用最廣泛的激光光源。飛秒激光具有與普通激光不同的超快超強特性，與材料相互作用時可以引起材料各種物理化學性質的變化。對于電介質材料，飛秒激光等超快超強激光脈沖在材料體內通過雙光子或多光子吸收等非線性光學過程，可以引起光致折射率變化。本發明選用低數值孔徑的顯微物鏡來聚焦飛秒激光脈沖用以制造平面光波導和及其相關器件如耦合器的技術，屬于首創，它第一次實現了平面光波導及其相關器件的快速制備。

發明內容：

本發明的目的是提供一種利用低數值孔徑(N.A.≤0.3)的顯微鏡來進行平面光波導及其相關器件制備的方法。

本發明利用超短激光脈沖制備平面光波導的方法如下：

根據制備平面光波導所需的寬度，選用合適的N.A.≤0.3的低數值孔徑顯微鏡將超短激光脈沖聚焦至對激光波長透明的電介質材料樣品體內，激光脈沖與電介質材料相互作用產生自陷等非線性光學效應，形成長絲狀傳輸，長絲光束引起傳輸區域折射率改變，通過移動樣品，讓折射率變化長絲在樣品內橫向移動，從而形成層狀的折射率改變，實現平面光波導的制備。

所述超強激光脈沖可以采用鈦藍寶石飛秒激光器等及脈沖放大系統發生，其輸出激光脈沖的重復頻率可以為1Hz到幾十MHz可變調節，脈寬從幾十飛秒到幾十皮秒等范圍可變。

所述樣品可以是無機光學玻璃、無機鹽晶體、熔融石英和有機光致聚合物等透明電介質材料。

所述樣品可以利用數控平移臺來控制其移動方向和速度，讓樣品垂直于激光束移動，從而使激光束在樣品內自陷傳播產生的折射率變化長絲在樣品內橫向移動。

為了在樣品移動的同時精確地將波導制備在相應位置上，可以采用快門來控制激光脈沖在樣品中寫入開始和停止，即在樣品移動到相應位置時，快門打開放出激光脈沖進行加工制備，制備完畢時快門關閉。該快門可以由計算機同步實時控制。

一般在飛秒激光輸出模式較好的情況下，不需要空間濾波。在輸出模式較差時，為制備高質量光波導，可以用小孔空間濾波器進行空間濾波，再用倒置顯微鏡進行空間擴束，以得到較好的空間基模，并注入聚焦系統。

對于其他特殊形狀的光波導，如弧形、X型、Y型和T型等，只要控制激光在樣品中的行走方向即可得到。光耦合器的制備也類似：先設計好耦合區域的耦合長度和波導之間耦合距離等有關參數，通過精密控制樣品相對光束的移動即可獲得。與波導相關的光學器件的制備，如波導型Mach-Zehnder干涉儀、陣列波導光柵(AWG)、光調制器、光開關、光濾波器和波分復用器等，同理只需修改樣品移動平臺控制參數即可。

實現上述平面光波導和耦合器等相關器件制備方法的加工裝置由以下幾個部分組成，加工步驟按這些組成部分搭建起來：

(一)光源：采用鈦藍寶石飛秒激光等短脈沖激光系統，其輸出激光脈沖的重復頻率可以為1Hz到幾十MHz可變調節，輸出波長可變，脈寬從幾十飛秒到幾十皮秒等范圍可變。

(二)光束濾波系統：一般情況下，激光輸出模式較好，不需要空間濾波。在輸出模式較差時，將飛秒激光光源輸出的光束用小孔進行空間濾波，再用倒置顯微鏡進行空間擴束，以得到較好的空間基模，并注入聚焦系統。

(三)聚焦系統：采用平場復消色差低數值孔徑物鏡對激光束聚焦。焦點必須在樣品體內合適距離，以利于產生自陷激光束。根據制備平面波導所需的寬度，選用相應低數值孔徑的顯微鏡。一般情況下，可采用普通的低數值孔徑透鏡聚焦。

(四)樣品移動平臺：目前用于精密制備的工作平臺多種多樣，考慮樣品需要移動的范圍和調制精度，可采用相應型號的三維移動平臺。目前有在空間上移動位置的精確度可以達到亞微米到納米量級甚至更小的型號，可以對樣品內波導的位置進行精密調節。對樣品加工精度要求不高時，可采用普通一維、二維、三維等數控平移臺。