[發明專利]一種集成晶體光波導的制備方法

有效

• 申請號: 202010141772.2
• 申請日: 2020-03-04
• 公開（公告）號: CN111427119B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 胡煌;季啟政;陳秋荻;馮娜;王瑾;龍丹
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）;北京東方計量測試研究所
• 主分類號: G02B6/13
• 分類號: G02B6/13
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 郝明琴

本發明公開了一種集成晶體光波導的制備方法，首先選取無雜質、無色透明的晶體，選定晶體的尺寸并利用激光對晶體進行切割；接著利用軟件設計并優化所需光波導的參數，并對光波導進行模式分析和彎曲處的損耗計算，以確定光波導在不同的芯徑下的傳輸模式和傳輸損耗；利用飛秒激光按照設計好的光波導并根據晶體材料調整飛秒激光的參數，對晶體進行刻畫，得到集成晶體光波導；若在晶體的深部刻畫光波導，則在兩塊晶體表面各刻畫一半光波導，再將兩塊晶體固定，形成完整的光波導。本發明提供的集成晶體光波導制備方法，實現了高精度的集成光波導制備，適用于大多數晶體材料。

技術領域

本發明屬于晶體光波導的制備領域，具體涉及一種集成晶體光波導的制備方法。

背景技術

近年來，光纖領域得到了極大的發展，光通信技術受到了廣泛應用，同時也帶動了其它光電子產業的飛速發展，光波導器件作為各類光學傳感器中的核心器件，其制備技術工藝也得到了巨大的提升。在現階段的發展需求中，針對不同的應用場景需要使用不同的晶體作為刻畫光波導的材料，然而由于晶體本身的物理化學性質的不同，光波導的制備工藝也不同，因此設計一種能適用于大多數晶體材料的光波導制備方法就顯得尤為重要了。

使用飛秒激光直寫技術能夠實現在各類透明介質中光波導的刻畫，例如各類光學玻璃、晶體、聚合物材料等，通過飛秒激光燒蝕，改變對應的光學材料掃描區域內的折射率，形成包層通道型光波導，從而實現不同應用場合下的光學傳感器等器件所需的和興光波導結構。

目前，傳統的集成光波導制備工藝大多有以下幾個方面的問題：

1)傳統集成光波導制備工藝多采用薄膜沉積、質子交換等技術，但該類方法限制條件較多，實用性并不大，薄膜沉積的方法是將成束的穩定微小晶核聚集生長，形成連續的膜匯集并延伸鋪展，但是由該類方法所制成的晶體光波導的晶向是隨機的，因此該類方法并不適用于在各向異性介質材料中制備光波導；質子交換技術是通過質子置換出介質材料中的金屬離子，從而改變區域內的折射率大小形成光波導，但是該方法容易改變材料本身的性質，且該類方法僅適用于置換原子數較低的金屬離子，如LN(鈮酸鋰，LiNbO₃)晶體，其適用范圍較小。

2)傳統集成光波導制備工藝流程較為繁瑣，多采用光刻、蝕刻等方法進行前期的處理工作，在前期處理過程中，需要通過光刻的方式構造出需要加工的光波導與電極傳輸線平面結構，之后采用濕法或干法蝕刻將多余的輔助材料腐蝕掉。這類方法制備工藝繁多、操作復雜且制備周期長；并且由于光波導的制備精度要求較高，增加了制備成本。

3)此外傳統的制備工藝多是在材料表面制備加工波導結構，很難實現在材料內部直接形成所需光波導結構，即使采用飛秒激光加工技術，但在不同的介質材料中掩埋深度也很難超過8mm。

發明內容

本發明的目的在于解決現有技術存在的問題和不足，提供一種精度高、適用大多晶體材料的集成晶體光波導的制備方法，包括以下步驟：

S1：選取無雜質、無色透明的晶體，選定晶體的尺寸并利用激光對晶體進行切割，切割完成后，對晶體表面進行光學拋光；

S2：利用軟件設計所需光波導的參數，并對光波導進行模式分析和彎曲處的損耗計算，再利用軟件優化光波導的參數，減少光波導在彎曲處的損耗；

S3：利用飛秒激光按照步驟S2中設計好的光波導并根據晶體材料調整飛秒激光的參數，對晶體進行刻畫，得到集成晶體光波導；

進一步地，步驟S1中，所述晶體包括：磷酸二氫鉀晶體、鈮酸鋰晶體或鍺酸鉍晶體。

進一步地，所述軟件為Comsol多物理場仿真軟件，所述損耗計算采用有限元分析方法。

進一步地，所述光波導經過Comsol多物理場仿真軟件優化后，傳輸損耗小于1.5％。