專利名稱：在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密微光電子學(xué)器件制備技術(shù)領(lǐng)域和光學(xué)信息處理領(lǐng)域，尤其是一種利用超短激光脈沖在玻璃內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵(Waveguide Grating)的方法。
背景技術(shù)：
近年來，利用飛秒激光在玻璃中制備波導(dǎo)的研究取得了顯著的發(fā)展，這種波導(dǎo)的制備是采用在玻璃內(nèi)部直寫法，即利用了輻照區(qū)的折射率比未輻照區(qū)域折射率增大的特性，不需要多層介質(zhì)；它是一步方法，不需要多次處理，一般是通過移動聚焦的激光焦點一次性掃描出來的；由于利用了高度非線性多光子過程，不需要材料對激光具有光敏性，因此可以使用多種透明介質(zhì)，例如無機(jī)和有機(jī)玻璃以及晶體等等。人們對脈沖參數(shù)、聚焦條件以及掃描方式等對波導(dǎo)性能的影響進(jìn)行了廣泛研究，并在此基礎(chǔ)上制備出二維光柵、耦合器和菲涅爾波帶片等微光學(xué)元件等。
在集成光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，波導(dǎo)中的光柵更具有特別重要的意義。因為光波導(dǎo)把光束截面限制在光波長量級的范圍內(nèi)，提供了光的一維或多維無衍射傳播，波導(dǎo)中傳播的導(dǎo)波和制備在波導(dǎo)上的光柵發(fā)生矢量相互作用。通過光柵材料與光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)(折射率、周期、形狀)的變化，可根據(jù)人們需要任意改變導(dǎo)波的傳輸行為。因而不同材料和結(jié)構(gòu)的光柵起到了各種不同集成光學(xué)元件的作用。與常規(guī)體光學(xué)器件相對比，如透鏡、棱鏡、反射鏡、分束器、濾波器、光柵等，在集成光學(xué)系統(tǒng)中，波導(dǎo)光柵可以實現(xiàn)導(dǎo)波光的耦合、分束、反射、濾波、聚焦、衍射分光等各種功能。只不過不同的集成光學(xué)器件，波導(dǎo)光柵的周期與形狀各不相同而已?？梢?，波導(dǎo)光柵在集成光學(xué)乃至靈巧結(jié)構(gòu)的微光機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用前景十分誘人。
綜上所述，在透明電介質(zhì)中制備波導(dǎo)光柵成為亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明致力于提供一種透明電介質(zhì)材料內(nèi)部波導(dǎo)光柵制備方法。
本發(fā)明的上述目的是通過如下的技術(shù)方案予以實現(xiàn)的采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器等脈沖激光系統(tǒng)，通過相應(yīng)的透鏡將激光束聚焦到透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)，透鏡選擇0.3＜NA＜1.5；根據(jù)波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)和尺寸需求，控制激光束焦點在透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)相對移動的方向、次數(shù)和速度，讓透明的電介質(zhì)材料樣品被激光焦點照射發(fā)生周期性地折射率改變，形成波導(dǎo)光柵。
制備波導(dǎo)光柵具體步驟如下1、波導(dǎo)光柵的設(shè)計波導(dǎo)光柵分為短周期、長周期、啁啾光柵三種。根據(jù)對于器件性能的要求比如反射波長、反射率、透射率的需要采用BPM(BeamPropagation Method)方法進(jìn)行模擬計算，得到制作波導(dǎo)光柵的周期。
2、產(chǎn)生激光脈沖步驟采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器或光纖飛秒激光器等短脈沖激光系統(tǒng)，輸出激光脈沖的重復(fù)頻率可以為1Hz到100MHz可變調(diào)節(jié)。調(diào)整激光裝置，形成脈沖寬度為30飛秒到500飛秒之間、脈沖能量為10nJ到2μJ之間。所選飛秒激光輸出波長可以為200nm～1550nm。
3、樣品選擇對于所用飛秒激光器輸出的飛秒激光波長透明的電介質(zhì)。
4、整形和濾波步驟利用整形和濾波裝置處理激光束，并注入聚焦裝置。其中整形包括在聚焦透鏡前加寬度為50μm到500μm的狹縫，或者利用柱面鏡組合改變光強分布。濾波步驟為針孔濾波，再用倒置望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間擴(kuò)束，以得到較好的空間基模，并注入聚焦系統(tǒng)。針孔直徑由計算聚焦透鏡的焦點大小決定。
5、聚焦步驟根據(jù)所要制備的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)以及尺寸需求，通過相應(yīng)的透鏡將激光束聚焦到移動平臺上某一點。透鏡可選擇0.3＜NA(數(shù)值孔徑)＜1.5。寫入深度由透鏡焦距長度、對波導(dǎo)端面縱橫比的要求以及樣品厚度等參數(shù)決定。
6、控制焦點與樣品相對移動步驟將樣品放置在移動平臺上，通過控制移動平臺移動從而帶動樣品相對于激光焦點移動。或者利用轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，控制激光焦點移動，樣品固定，從而實現(xiàn)相對移動。
7、基本寫入步驟打開快門輸出激光束，同時通過控制裝置使激光束焦點在樣品體內(nèi)按照一定軌跡相對移動。其中，快門響應(yīng)速度小于100ms，對于高速制備，需要更快響應(yīng)速度的快門，才能保持加工精度。移動由計算機(jī)程序控制。所述的樣品是對所用飛秒激光透明的電介質(zhì)材料。
8、波導(dǎo)光柵寫入方法可分為多步寫入波導(dǎo)光柵和一步寫入波導(dǎo)光柵兩種方法。其中多步寫入波導(dǎo)光柵分為在樣品中制備波導(dǎo)和在波導(dǎo)中制備光柵的兩個過程。
A、利用飛秒激光在樣品中制備光波導(dǎo)。
(1)橫向掃描方法制備光波導(dǎo)所述方法為將飛秒激光聚焦到要制備波導(dǎo)光柵的樣品中，聚焦深度根據(jù)透鏡焦距長度、對波導(dǎo)端面縱橫比的要求以及樣品厚度等參數(shù)需要調(diào)節(jié)。樣品沿著激光入射方向垂直的方向移動。速度可以在1μm/s到1cm/s之間調(diào)節(jié)，此參數(shù)具體值由飛秒激光的重復(fù)頻率決以及單脈沖能量決定。樣品中被激光焦點照射的地方折射率會發(fā)生變化，形成波導(dǎo)。
(2)縱向掃描方法制備光波導(dǎo)所述方法為將飛秒激光聚焦到要制備波導(dǎo)光柵的樣品中，聚焦深度根據(jù)透鏡焦距長度、對波導(dǎo)端面縱橫比的要求以及樣品厚度等參數(shù)需要調(diào)節(jié)。樣品沿著激光入射方向移動，速度可以在1μm/s到1cm/s之間調(diào)節(jié)，此參數(shù)具體值由飛秒激光的重復(fù)頻率決定。波導(dǎo)長度由透鏡的焦距決定。樣品中被激光焦點照射的地方折射率會發(fā)生變化，形成波導(dǎo)。
B、在波導(dǎo)中制備光柵。
(1)控制快門的方法焦點一直沿著波導(dǎo)方向作相對移動，周期性控制快門的打開與關(guān)閉，當(dāng)快門打開時，經(jīng)過飛秒激光焦點曝光的波導(dǎo)區(qū)域折射率進(jìn)一步增大，從而形成周期結(jié)構(gòu)。通過計算機(jī)控制快門的打開關(guān)閉頻率從而得到不同的光柵周期長度，可實現(xiàn)長周期、短周期以及變周期波導(dǎo)光柵的制備。
(2)交叉掃描方法通過控制焦點和樣品相對移動，在已經(jīng)掃過的波導(dǎo)中沿著于波導(dǎo)垂直或者呈一定角度方向掃描。通過計算機(jī)控制交叉線之間的間隔從而得到不同的光柵周期長度，可實現(xiàn)長周期、短周期以及變周期波導(dǎo)光柵的制備。
另外，也可以波導(dǎo)和光柵一次性寫入。
通過改變移動速度或掃描次數(shù)，使得折射率改變量周期性分布。
9、退火步驟根據(jù)光學(xué)元件在較高溫度工作的穩(wěn)定性要求，在相應(yīng)的溫度下對波導(dǎo)光柵進(jìn)行退火處理。飛秒激光制備的波導(dǎo)光柵在室溫下放置都很穩(wěn)定。當(dāng)元件工作在比較高的溫度下，比如500℃，折射率增量將隨工作時間延長而逐漸降低，限制了光學(xué)器件在高溫環(huán)境條件下穩(wěn)定工作。通過退火可以改善器件在不同溫度能穩(wěn)定工作。退火處理還能降低光學(xué)結(jié)構(gòu)的傳輸損耗，減小成絲的不均勻性、抑制噪聲并提高傳輸效率。
利用本發(fā)明的方法，只要控制激光脈沖能量、脈寬、聚焦物鏡數(shù)值孔徑、樣品移動速度、重復(fù)掃描次數(shù)和退火工藝等參數(shù)，即可實現(xiàn)快速高精度制備波導(dǎo)光柵及其相關(guān)器件。與現(xiàn)有其他制備方法相比，本發(fā)明的方法具備如下優(yōu)點(1)制備方法簡單，容易實施，一次成型。只需將激光束準(zhǔn)直輸入到樣品相應(yīng)位置；(2)制備速度快，材料透明穩(wěn)定適合工業(yè)應(yīng)用；(3)由于采用的是石英玻璃等非光敏材料，所以產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性好；(4)由于飛秒激光作用到石英玻璃中產(chǎn)生的折射率變化比一般的光敏玻璃經(jīng)過紫外光照射后產(chǎn)生的折射率變化大，所以制作的波導(dǎo)光柵周期數(shù)可以明顯少于同等性能的光纖光柵；(5)由于產(chǎn)品采用掃描方式，可以根據(jù)設(shè)計制作各種波導(dǎo)光柵。無需重新開發(fā)模板等工序；(6)由于可以在玻璃體內(nèi)三維加工，所以便于集成元件的開發(fā)制造。尤其對于一些相對距離要求嚴(yán)格的集成光路有獨特優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明飛秒激光焦點橫向和縱向移動示意圖；圖2為本發(fā)明控制快門周期性打開關(guān)閉示意圖；圖3為本發(fā)明的多步寫入波導(dǎo)光柵示意圖；圖4為本發(fā)明的一步寫入波導(dǎo)光柵示意圖；圖5為本發(fā)明的波導(dǎo)光柵制備裝置示意圖；圖6為本發(fā)明的橫向掃描方法形成的波導(dǎo)顯微鏡示意圖；
圖7為采用本發(fā)明交叉掃描方法制備的波導(dǎo)光柵的俯視圖；圖8為采用精確控制開關(guān)方法進(jìn)行制備的波導(dǎo)光柵俯視圖；圖9為采用本發(fā)明制備的帶有波導(dǎo)光柵的集成器件示意圖。
圖5中，1-超短脈沖激光器，2-輸出激光光束，3-小孔空間濾波器，4-能量調(diào)節(jié)裝置，5-快門，6-反射鏡，7-分束鏡，8-聚焦顯微鏡，9-CCD，10-樣品，11-照明光纖燈，12-三維數(shù)控平移臺，13-計算機(jī)，14-信號傳輸線，15-耦合輸入端口，16-光柵反射輸出端口，17-耦合輸出端口1，18-耦合輸出端口2，19-波導(dǎo)光柵部分。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
(一)波導(dǎo)光柵設(shè)計1978年K.O.Hill等人首先在摻鍺光纖中采用駐波寫入法制作第一只光纖光柵，經(jīng)過二十多年來的發(fā)展，在光通信、光纖傳感等領(lǐng)域均有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)光柵周期的長短不同分為布喇格光纖光柵(FBG)和長周期光纖光柵(LPFG)以及啁啾光柵。布喇格光纖光柵又稱為短周期光柵或反射光柵，其周期大致在零點幾微米到幾微米之間；長周期光纖光柵的周期通常為幾十微米到幾百微米；啁啾光柵為變周期光柵。
假設(shè)波導(dǎo)折射率變化只隨傳播方向Z發(fā)生變化，其中n為波導(dǎo)折射率，Δn(z)為光柵與波導(dǎo)折射率的差值。
(1)光柵類型分析a.Bragg波導(dǎo)光柵Bragg波導(dǎo)光柵又叫反射光柵。在波導(dǎo)中傳播的光波，由于光柵的作用使相反方向的光相互耦合。此時光柵周期必須滿足相位匹配條件
βp-βs-l2πΛ=2βp-l2πΛ=0---(1)]]>其中s，p表示模階次，β為傳播常數(shù)，l表示s模和p模通過Δn(z)的第l個諧波發(fā)生耦合，Λ為光柵周期。經(jīng)過詳細(xì)推導(dǎo)可以得出βp=lπΛ---(2)]]>又因為βp＝Neffk0，k0＝2π/λ (3)所以代入(2)可以推出Λ=lλ2Neff(l=1,2,3...)---(3)]]>Neff為有效折射率約等于波導(dǎo)折射率n。
此時耦合系數(shù)Kc=nΔnmaxωϵ0lπ∫-∞+∞[Ey(s)(x)]2dx---(5)]]>Δnmax為波導(dǎo)和光柵部分折射率變化的最大差值。本耦合系數(shù)為假設(shè)折射率分布為矩形所得。最大反射率R為R＝tanh2(KcL) (6)其中L為光柵的長度。
反射帶寬表示為Δλ=λ(Δn/2Neff)2+(1N)2---(7)]]>其中N為周期個數(shù)。
b.長周期光纖光柵長周期光纖光柵又叫透射光柵在波導(dǎo)種傳播的光波，由于光柵的作用使相同方向的光相互耦合。此時光柵周期必須滿足相位匹配條件
βp-βs-l2πΛ=0---(8)]]>又因為β＝Neffk0，k0＝2π/λ代入(8)，可以得到Λ=lλΔNeff(l=1,2,3...)---(9)]]>其中ΔNeff=Neffp-Neffs,]]>l為階數(shù)。因為ΔNeff遠(yuǎn)小于2Neff，所以通過(4)與(9)的比較可以看出，長周期波導(dǎo)光柵的的周期遠(yuǎn)大于Bragg波導(dǎo)光柵的周期。實際制作的長周期光纖光柵為百微米量級。最大透射率T為T＝sin2(KcL) (10)帶寬Δλ=2λΛ1L1-(KcLπ)2---(11)]]>Λ1為1階長周期光纖光柵的周期(2)波導(dǎo)光柵參數(shù)設(shè)計以Bragg波導(dǎo)光柵為例a.周期長度根據(jù)公式Λ＝lλ/2Neff，決定周期長短的可變因素有兩個即光柵階數(shù)l和反射波長λ。針對我們對光波的反射需要，可以設(shè)定不同的波長；按照加工精度的需要，可以改變光柵的階數(shù)計算出相應(yīng)周期長度。以1階Bragg波導(dǎo)光柵為例。根據(jù)公式Λ＝lλ/2Neff，l＝1，Neff＝1.461.對于波長為1.55μm的通信波長，1階Bragg波導(dǎo)光柵的反射周期為Λ＝0.53046μm時可以發(fā)生相位匹配，形成反射。
b.反射率據(jù)公式R＝tanh2(KcL)，其中Kc=nΔnmaxωϵ0lπ∫-∞+∞[Ey(s)(x)]2dx.]]>R是KcL的函數(shù)。
KcL=nΔnmaxωϵ0λN2πNeff∫-∞+∞[Ey(s)(x)]2dx---(17)]]>N為周期個數(shù)。波導(dǎo)折射率，光柵折射率變化差值、傳輸光強以及周期個數(shù)的增加都會導(dǎo)致KcL的增大。通過上式可以計算反射率R。
c.反射帶寬根據(jù)公式Δλ=λ(Δn/2Neff)2+(1N)2---(14)]]>反射帶寬由參數(shù)λ、Δn、Neff、N決定。對于給定反射波長的光柵，折射率調(diào)制度增大，周期個數(shù)變小都會增加反射的帶寬。
下面是根據(jù)BPM(Beam Propagation Method)算法模擬的結(jié)果具體參數(shù)設(shè)置

(二)產(chǎn)生激光脈沖所述超強激光脈沖可以采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器或光纖飛秒激光器等短脈沖激光系統(tǒng)，輸出激光脈沖的重復(fù)頻率可以為1Hz到100MHz可變調(diào)節(jié)。調(diào)整激光裝置，形成脈沖寬度為30飛秒到500飛秒之間、脈沖能量為10nJ到2μJ之間。所選飛秒激光輸出波長可以為200nm～1550nm。
(三)樣品選擇對于所選飛秒激光波長透明的電介質(zhì)。多選用純石英玻璃或摻鍺石英玻璃等作為實驗材料，它們具有較大的折射率改變量，重復(fù)性好，與現(xiàn)在使用的光纖接近。也可以采用其它玻璃等透明材料。對于長波長飛秒激光可以選擇硅作為加工材料，此材料通用性強，并且和現(xiàn)在的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密。
(四)激光整形和濾波利用整形和濾波裝置處理激光束，并注入聚焦裝置。其中整形包括在根據(jù)需要在聚焦透鏡前加縫寬為50μm到500μm的狹縫，狹縫大于500μm整形效果不明顯，小于50μm要求很高的輸入光強，會破壞聚焦透鏡?；蛘呃弥骁R組合改變光強分布。濾波步驟為針孔濾波，再用倒置望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間擴(kuò)束，以得到較好的空間基模，并注入聚焦系統(tǒng)。針孔直徑由計算聚焦透鏡的焦點尺寸決定。下面簡單舉例計算。經(jīng)過聚焦后的焦點的半徑滿足以下公式ω=0.61*λNA---(15)]]>此公式中NA為聚焦透鏡的有效數(shù)值孔徑，λ為飛秒激光波長，ω為焦點半徑。對于波長為800nm的飛秒激光，如果NA＝0.015，那么焦點的半徑為32.53μm。可選用半徑為32μm的針孔。
(五)聚焦根據(jù)所要制備的波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)以及尺寸需求，通過相應(yīng)的透鏡將激光束聚焦到移動平臺上某一點。用于加工的透鏡一般選擇物鏡，因為它的數(shù)值孔徑比較大，有利于聚集能量。不同數(shù)值孔徑的物鏡，對于飛秒激光的聚焦效果是不同的。對于NA＜0.3的數(shù)值孔徑，焦點部分由于自聚焦與自散焦相互平衡，從而產(chǎn)生所謂的成絲效應(yīng)(filament)，用這種透鏡加工的波導(dǎo)縱橫比很大?？v橫比大的波導(dǎo)會降入射的單模光轉(zhuǎn)化為多模光，所以一般可以選用0.3＜NA＜1.5的透鏡。另外要控制好聚焦深度。由于入射的飛秒激光傳輸?shù)倪^程中要經(jīng)過空氣和樣品，這兩種介質(zhì)的折射率不匹配，會產(chǎn)生球差效應(yīng)。此種效應(yīng)會在縱向拉伸焦點，增大縱橫比，不利于加工波導(dǎo)。也可以用消球差物鏡加工，減少折射率不匹配造成的影響。
(六)控制焦點與樣品相對移動焦點和樣品的相對移動可以通過固定焦點移動樣品或者固定樣品移動焦點來實現(xiàn)。
方法(1)固定焦點移動樣品將樣品放置在移動平臺上，通過調(diào)節(jié)移動平臺使激光束的焦點達(dá)到樣品體內(nèi)的寫入位置。用于精密制備的平移臺多種多樣，考慮樣品需要移動的范圍和調(diào)制精度，可采用相應(yīng)型號的三維移動平臺或者轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)。目前有在空間上移動位置的精確度可以達(dá)到亞微米到納米量級甚至更小的型號，可以對樣品內(nèi)光柵結(jié)構(gòu)的位置進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。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(shù)控平移臺聚焦到體內(nèi)的位置。
方法(2)固定樣品，移動焦點轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)。
(七)基本寫入為了在樣品移動的同時精確地將波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)制備在相應(yīng)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(yīng)位置時，快門打開放出激光脈沖進(jìn)行加工制備，制備完畢時快門關(guān)閉。該快門可以由計算機(jī)同步實時控制。其中，快門響應(yīng)速度應(yīng)小于100ms，對于高速制備，需要更快響應(yīng)速度的快門，才能保持加工精度。
(八)具體寫入方式一、根據(jù)控制激光束焦點在透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)移動的方向，可分為在樣品中制備波導(dǎo)和在波導(dǎo)中制備光柵的兩個過程。
(1)用飛秒激光制備光波導(dǎo)有兩種方案橫向掃描和縱向掃描。
a.縱向掃描飛秒激光經(jīng)過低數(shù)值孔徑物鏡聚焦到玻璃樣品體內(nèi)。樣品隨著平移臺沿著平行于飛秒激光入射方向移動，如圖1(a)。此掃描方法利用飛秒激光的成絲效應(yīng)即經(jīng)透鏡聚焦的激光脈沖與電介質(zhì)材料相互作用產(chǎn)生自陷等非線性光學(xué)效應(yīng)，形成長絲狀傳輸，長絲光束引起傳輸區(qū)域折射率變大。這個區(qū)域?qū)庥邢拗谱饔?。這種方法的優(yōu)點是端面為圓形，和真實光纖一致，不需要補償。缺點是由于透鏡工作距離的限制，波導(dǎo)長度受到限制，并且不能制作彎曲波導(dǎo)，靈活性受到限制。
b.橫向掃描飛秒激光經(jīng)過高數(shù)值孔徑的物鏡聚焦到玻璃樣品體內(nèi)。樣品隨著平移臺沿著垂直飛秒激光入射方向移動，焦點經(jīng)過的地方由于多光子效應(yīng)折射率變大，形成光學(xué)波導(dǎo)，如圖1(b)。這樣的掃描方法有很多優(yōu)點，比如波導(dǎo)長度不受聚焦透鏡限制，可以掃描任意長度，并且可以掃描彎曲波導(dǎo)，有利于波導(dǎo)的集成化等。缺點是由于球差、非線性作用以及物鏡聚焦特性的影響，波導(dǎo)的端面呈現(xiàn)橢圓形分布。上述缺點可以通過改變實驗裝置以及實驗條件解決，比如改變光斑形狀，用消球差的物鏡，增大物鏡數(shù)值孔徑，減小入射能量，改變掃描速度，人為控制聚焦深度等等。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)導(dǎo)光區(qū)域的折射率大小、分布以及輸出光強分布模式與激光脈沖寫入條件密切有關(guān)。通過精密控制激光寫入能量、寫入速度、激光脈寬等參數(shù)，可得到符合要求的波導(dǎo)器件，再利用多次掃描和退火工藝進(jìn)一步提高質(zhì)量。可以通過能量衰減器和能量計控制能量；通過激光器內(nèi)部的壓縮光柵對和自相關(guān)儀控制激光的脈寬；通過來回多次重復(fù)掃描增加波導(dǎo)折射率改變量；通過退火則可以消除波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的粗糙邊界，降低折射率改變量并使導(dǎo)光區(qū)域變得更加穩(wěn)定。通過上述條件的改變我們可以很好的控制折射率變化的大小和分布情況，從而制備出高質(zhì)量的波導(dǎo)。
(2)在波導(dǎo)中制備光柵。
a.控制快門方法先掃描制備出折射率均勻的波導(dǎo)，然后在折射率改變未飽和之前，不改變光路再進(jìn)行第二次掃描。焦點沿著波導(dǎo)方向移動，周期性控制快門的打開與關(guān)閉，當(dāng)快門打開時，經(jīng)過飛秒激光焦點曝光的波導(dǎo)區(qū)域折射率進(jìn)一步增大，從而形成周期結(jié)構(gòu)如圖2。通過計算機(jī)控制快門的打開關(guān)閉頻率從而得到不同的光柵周期長度，可實現(xiàn)長周期、短周期以及變周期波導(dǎo)光柵的制備。
b.交叉掃描方法先掃描制備出折射率均勻的波導(dǎo)，然后在折射率改變未飽和之前，不改變光路再進(jìn)行第二次掃描。通過控制焦點和樣品相對移動，在已經(jīng)掃過的波導(dǎo)中交叉掃描。線可以和波導(dǎo)垂直，也可以根據(jù)需要呈一定的角度如圖3。通過計算機(jī)控制交叉線之間的間隔從而得到不同的光柵周期長度，可實現(xiàn)長周期、短周期以及變周期波導(dǎo)光柵的制備。
二、采用波導(dǎo)和光柵一次性寫入方法在移動臺運動制備光柵時，通過改變移動速度或掃描次數(shù)如圖4(a)(b)所示的方法使得折射率改變量周期性分布。掃描過的區(qū)域的最小折射率比未輻照的周圍介質(zhì)增大，掃描速度慢的輻照區(qū)域折射率較大，掃描次數(shù)多的輻照區(qū)域折射率較大。這種方法避免對準(zhǔn)誤差，但是要求參數(shù)調(diào)整協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
比較兩種寫入方式的優(yōu)缺點，確定最佳的寫入方式，選擇最佳激光參數(shù)和聚焦條件，制備出波導(dǎo)布拉格光柵。
實施例一掃描交叉方法制備光柵如圖5所示，超短脈沖激光器1采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，其輸出激光光束2波長為800nm(納米)左右，脈寬約為120fs(飛秒)，輸出激光光束2經(jīng)過針孔空間濾波器3濾波得到空間基模，經(jīng)能量調(diào)節(jié)裝置4調(diào)節(jié)得到適當(dāng)能量后，經(jīng)快門5，再用高數(shù)值孔徑聚焦顯微鏡8進(jìn)行聚焦到數(shù)控平移臺12上的樣品10上。
(1)波導(dǎo)制作
制作波導(dǎo)時采用專利中介紹的橫向掃描方法即樣品沿著垂直于激光入射的方向移動。制備波導(dǎo)所用單脈沖能量約0.4μJ(此能量并未使折射率變化達(dá)到飽和，為寫光柵做準(zhǔn)備)，聚焦深度為1.5mm，掃描速度為50.0μm/s，為保證波導(dǎo)的均勻性，波導(dǎo)掃描兩遍，同時也可以提高波導(dǎo)的折射率改善導(dǎo)光性能。通過CCD9可以監(jiān)測波導(dǎo)俯視方向的掃描情況以及端面形狀。圖6為俯視顯微圖。
(2)光柵制作本實例的光柵制作采用專利中介紹的掃描交叉線方法制備光柵。能量不變?nèi)詾?.4μJ，為盡量提高光柵處的折射率變化，掃描速度設(shè)為10.0μm/s。光柵周期間隔為4μm，針對波長為1.45μm光設(shè)計，階數(shù)為4。圖7為利用此方法制備的顯微光柵圖。
實施例二精確控制快門方法制備光柵與實例一中一樣，如圖5所示，超短脈沖激光器1采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，其輸出激光光束2波長為800nm左右，脈寬約為120fs，輸出激光光束2經(jīng)過針孔空間濾波器3濾波得到空間基模，經(jīng)能量調(diào)節(jié)裝置4調(diào)節(jié)得到適當(dāng)能量后，經(jīng)快門5，再用高數(shù)值孔徑聚焦顯微鏡8進(jìn)行聚焦到數(shù)控平移臺12上的樣品10上。檢測光路與實例一相同(1)波導(dǎo)制作(同實例一)(2)光柵制作本實例的光柵制作采用專利中介紹的精確控制快門的方法制備光柵。計算機(jī)13用于同步實時控制快門5和三維數(shù)控平移臺12，以使得在三維數(shù)控平移臺12移動的同時精確地將光柵疊加到已經(jīng)制備的波導(dǎo)上。能量不變?nèi)詾?.4μJ，為盡量提高光柵處的折射率變化，掃描速度設(shè)為10.0μm/s。光柵周期間隔為4μm，針對波長為1.45μm光設(shè)計，階數(shù)為4。圖8為利用此方法制備的顯微光柵圖。
實施例三飛秒激光直寫的方法制備帶有波導(dǎo)光柵的復(fù)雜結(jié)構(gòu)本實例為X型耦合器，并且在一支上疊加光柵，圖9為結(jié)構(gòu)示意圖。實驗裝置同實例一。如圖5所示，超短脈沖激光器1采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，其輸出激光光束2波長為800nm左右，脈寬約為120fs，輸出激光光束2經(jīng)過針孔空間濾波器3濾波得到空間基模，經(jīng)能量調(diào)節(jié)裝置4調(diào)節(jié)得到適當(dāng)能量后，經(jīng)快門5，再用高數(shù)值孔徑聚焦顯微鏡8進(jìn)行聚焦到數(shù)控平移臺12上的樣品10上。
(1)X波導(dǎo)耦合器制備。
X形波導(dǎo)耦合器的制備方法利用專利中所述的橫向掃描的方法。平移臺在計算機(jī)的控制下掃描X形。本例中，波導(dǎo)折射率增量為5×10-3，設(shè)計兩波導(dǎo)之間的夾角為1.5°，兩個波導(dǎo)輸出端口的能量比為1∶1。
(2)光柵制作。
光柵的制作采用專利中所介紹的精確控制快門方法制備光柵。在一條波導(dǎo)上疊加光柵。光柵的周期根據(jù)所需要設(shè)計。周期個數(shù)根據(jù)光柵的折射率調(diào)制度設(shè)計。利用以上結(jié)構(gòu)，當(dāng)輸入光為寬帶光源時，輸出光端口17輸出為經(jīng)過反射之后的透射譜，端口18輸出為未經(jīng)過反射的透射譜，反射端口輸出為反射光線。
此器件可以用于精密測量。如果外界條件發(fā)生改變，比如溫度，壓力等，材料的性質(zhì)會發(fā)生變化，通過探測反射光線的性質(zhì)可以計算出外界物理量的變化。
綜上所述，本發(fā)明公開了一種透明電介質(zhì)材料內(nèi)部波導(dǎo)光柵制備方法。上面描述的應(yīng)用場景和實施例，并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的更動和潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其步驟包括采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器等脈沖激光系統(tǒng)，通過相應(yīng)的透鏡將激光束聚焦到透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)，透鏡選擇0.3＜NA＜1.5；根據(jù)波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)和尺寸需求，控制激光束焦點在透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)移動的方向、次數(shù)和速度，讓透明的電介質(zhì)材料樣品被激光焦點照射的地方按照所設(shè)計的結(jié)構(gòu)發(fā)生相應(yīng)的折射率改變，形成波導(dǎo)光柵。
2.如權(quán)利要求1所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于根據(jù)對于器件性能的要求，如反射波長、反射率、透射率的需要采用BPM方法進(jìn)行模擬計算，得到制作波導(dǎo)光柵的的結(jié)構(gòu)和尺寸。
3.如權(quán)利要求1所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器或光纖飛秒激光器等超短脈沖激光系統(tǒng)，輸出激光脈沖的重復(fù)頻率為1Hz到100MHz可變調(diào)節(jié)，調(diào)整激光裝置，形成脈沖寬度為30飛秒到500飛秒之間，脈沖能量為10nJ到2μJ之間，所選飛秒激光輸出波長為200nm～1550nm。
4.如權(quán)利要求1所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于將飛秒激光聚焦到要制備波導(dǎo)光柵的樣品中，樣品沿著激光入射方向垂直的方向移動，速度在1μm/s到1cm/s之間調(diào)節(jié)，此參數(shù)具體值由飛秒激光的重復(fù)頻率以及單脈沖能量決定。
5.如權(quán)利要求1所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于將飛秒激光聚焦到要制備波導(dǎo)光柵的樣品中，樣品沿著激光入射方向移動，速度在1μm/s到1cm/s之間調(diào)節(jié)，此參數(shù)具體值由飛秒激光的重復(fù)頻率決定。
6.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于控制激光束焦點在透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)移動，在樣品中先制備波導(dǎo)，在折射率改變未飽和之前，不改變光路再進(jìn)行激光束焦點沿著波導(dǎo)方向移動，實現(xiàn)在波導(dǎo)中制備光柵。
7.如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于打開快門輸出激光束，同時通過控制裝置讓移動平臺按照一定的軌跡移動，使激光束焦點在樣品體內(nèi)移動，其中，快門響應(yīng)速度小于100ms。
8.如權(quán)利要求1所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于利用整形和濾波裝置處理激光束，其中整形包括在聚焦透鏡前加寬度為50μm到500μm的狹縫，或者利用柱面鏡組合改變光強分布，濾波步驟為針孔濾波，再用倒置望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行空間擴(kuò)束，以得到較好的空間基模，針孔直徑由計算聚焦透鏡的焦點大小決定。
9.如權(quán)利要求1所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于將激光束聚焦到移動平臺上某一點，樣品放置在移動平臺上，通過移動平臺，控制樣品與聚焦在體內(nèi)的激光焦點相對移動。
10.如權(quán)利要求1所述的在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，其特征在于將激光束聚焦到平臺上某一點，樣品固定，利用轉(zhuǎn)鏡系統(tǒng)，控制激光焦點在樣品體內(nèi)移動。
全文摘要
本發(fā)明提供一種在透明電介質(zhì)材料內(nèi)部制備波導(dǎo)光柵的方法，屬于精密微光電子學(xué)器件制備技術(shù)領(lǐng)域和光學(xué)信息處理領(lǐng)域。該方法采用鈦藍(lán)寶石飛秒激光器等脈沖激光系統(tǒng)，通過相應(yīng)的透鏡將激光束聚焦到透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)，根據(jù)波導(dǎo)光柵的根據(jù)對于器件性能的要求比如反射波長、反射率、透射率的需要設(shè)計波導(dǎo)光柵的結(jié)構(gòu)和尺寸，通過控制激光束焦點在透明的電介質(zhì)材料樣品體內(nèi)移動的方向、次數(shù)和速度，讓透明的電介質(zhì)材料樣品被激光焦點照射發(fā)生周期性地折射率改變，形成波導(dǎo)光柵。利用本發(fā)明只要控制激光脈沖能量、脈寬、聚焦物鏡數(shù)值孔徑、樣品移動速度、重復(fù)掃描次數(shù)等參數(shù)，即可實現(xiàn)快速高精度制備波導(dǎo)光柵及其相關(guān)器件。
文檔編號G02B6/124GK101055332SQ20061001168
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者李焱, 劉大勇, 楊宏, 龔旗煌 申請人:北京大學(xué)