[發明專利]一種利用芯殼玻璃澆注和飛秒激光直寫技術制備磁光平面波導的方法

有效

• 申請號: 201810232805.7
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108490538B
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 陳秋玲;王暉
• 申請（專利權）人: 河南工業大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/136
• 代理公司: 鄭州明德知識產權代理事務所(普通合伙) 41152
• 代理人: 張獻偉

本發明公開一種利用芯殼玻璃澆注和飛秒激光直寫技術制備平面磁光波導的方法。該方法采用熔融淬火工藝制備35%PbO?45%Bi₂O₃?20%B₂O₃磁光殼玻璃，利用飛秒激光直寫技術在殼玻璃表面生成微通道凹槽，熔融55%PbO?35%Bi₂O₃?10%B₂O₃磁光芯玻璃并直接淬火澆注至提前預熱260°C的殼玻璃表面，冷卻至室溫后290°C退火2小時，磨去殼玻璃表面多余芯玻璃即得到磁光平面波導。本發明避免了現有磁光波導繁雜的制備工藝和結構，直接在磁光殼玻璃表面生成波導凹槽，并澆注芯玻璃至波導凹槽，原位生成磁光平面波導。本發明制備方法簡單，反應條件溫和，能耗低，環境友好，波導磁光性能良好，技術易掌握。

技術領域

本發明涉及磁光平面波導制備技術領域，尤其是涉及磁光玻璃基磁光平面波導的制備方法。

背景技術

受到來自磁光隔離器以及基于磁場傳感原理的多種傳感器應用的需求牽引，在光學芯片上集成磁光功能成為一個新興的研究熱點，玻璃基集成磁光器件也因此受到極大關注。磁光波導制作是構建磁光功能集成的基礎和核心。

目前玻璃基波導集成磁光性能有兩方面挑戰：一方面，一般玻璃上制備的光學波導不具備磁光性能，必須在波導上另外構建磁性薄膜，然而使波導光學損耗增大。另一方面，構建的磁性薄膜在常見的光學窗口吸收大，不透光，因此不能保障很好的光學性能。在磁光玻璃基片上制作磁光波導可以解決這一難題。

目前普遍研究的磁光波導結構是在Si或者SiO₂ 基底上沉積磁性膜結構，通過離子交換或者激光刻寫技術形成波導區域，然后在該區域一側或者上下面沉積磁光材料層制作磁光波導。無論制作磁光TE-TM模耦合波導，或者制作磁光非互易相移波導，都需要解決三個難題: 高磁光活性材料的獲得，異質材料之間的折射率匹配以及磁光材料與集成傳感芯片制作技術的兼容性。由于Si和SiO₂基底的熔融溫度很高，集成難度很大。基底和磁性材料的集成工藝很難對影響磁光傳感質量的磁性膜均勻度、厚度、以及附著度進行有效控制。磁光波導的磁光效應取決于磁性材料。目前常用的磁性材料是YIG，或稀土Ce/Tb摻雜的YIG, GGG等。此類材料生成溫度高，只能在紅外工作，不能利用紫外及可見光，對集成材料和工藝要求嚴苛。而且該材料有強烈的光吸收，極大地降低波導信號強度和感應靈敏度。

逆磁玻璃是一種優質的低熔點光學材料，磁光性能不受溫度的影響，在紫外和紅外區域有很好的透光性能，是一種重要的集成磁光功能的光學基片材料。磁光玻璃基光波導器件具有磁光性能好，成本低、工藝簡單、傳輸損耗低、偏振相關性小、制作容差性大、可批量生產等顯著特點。

近年來飛秒激光加工玻璃微通道開創了激光加工的新領域。飛秒激光的主要特性是發光持續時間短、脈沖峰值功率高，與玻璃相互作用時，能以極快的速度將能量聚焦到很小區域，瞬間的高能量密度沉積使作用區域內的溫度瞬間內急劇上升，并遠遠超過玻璃的融化和氣化溫度，使玻璃處于高溫高壓高密度的等離子狀態，并克服玻璃原有束縛力使該區域以等離子體向外噴發的形式得以去除。這一過程嚴格避免了玻璃的線性吸收，能量轉移和擴散等影響，從而使飛秒激光成為高精度，高空間分辨率的非熱熔性冷處理工藝，并成為研究光與物質相互作用快過程的重要工具。

該發明在磁光殼玻璃上通過飛秒激光制備波導圖案微通道凹槽，然后直接澆注芯玻璃液至波導凹槽原位生成磁光波導。該發明不僅避免了鍍膜工藝及磁性薄膜的額外損耗，而且在芯玻璃均勻機體內減少了光信號受外在的影響和吸收，能極大提高波導傳輸效率。芯玻璃波導區域的磁光效應良好保持。整個系統是集波導，磁光效應為一體的單片磁光玻璃，避免了傳統的磁性層和半導體Si的集成步驟，根據殼玻璃和芯玻璃良好的熱膨脹系數匹配以及紫外紅外透光性能，生成磁光波導質量均勻，工作波長比基于YIG等材料的磁光波導大大擴展。

發明內容