一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法与流程

1.本技术涉及激光加工领域，尤其涉及一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法。


背景技术：

2.在激光光学和通信光学的的应用中，无论是在自由空间还是在光纤中控制光的模式都尤其重要，同时，这些应用对模式转换效率和模式纯度都提出了很高的要求。近年来，集成光子学的飞速发展对三维集成光子器件的制造提出了更高的要求。与纳米压印、光刻、高能离子束等传统的制造技术相比，飞秒激光直写技术在各种透明材料(玻璃、晶体、聚合物等)中的三维制造领域具有不可替代的前景。然而，目前为止，在高重复频率的激光脉冲的作用下，飞秒激光在透明材料内部仍然存在热累积和热扩散效应，在高空间分辨率下设计波导截面的尺寸、形貌和折射率分布仍然难以实现，这给模式控制带来了极大的困难。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本技术实施例结合飞秒激光加工精度高、灵活性强等特点，提供一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法。
4.本技术提供一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法，所述三维定向耦合器包括基模波导和高阶模式波导，该方法包括：
5.(1)选定玻璃样品，进行所述高阶模式波导的截面设计，根据设计的截面和所述玻璃样品的损伤阈值规划构成所述高阶模式波导的若干轨迹；
6.(2)根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，进而确定所述高阶模式波导的尺寸以及所述三维定向耦合器的耦合间距和耦合长度；
7.(3)对所述玻璃样品进行清洁，将清洁好的玻璃样品进行固定和调平，进行激光直写光路的校准；
8.(4)利用校准后的激光直写光路，根据所述基模波导的尺寸和轨迹排布、所述高阶模式波导的尺寸和轨迹排布、耦合间距和耦合长度，制造三维定向耦合器。
9.进一步地，所述基模波导为曲线波导，所述高阶模式波导为直线波导或曲线波导，其中曲线波导由至少三段直线波导和至少两段s型波导构成，s型波导的弯曲半径为1-200mm，所述基模波导和高阶模式波导均由若干条亚微米、正折射率变化的轨迹构成。
10.进一步地，所述玻璃样品选自石英玻璃和硅酸盐玻璃。
11.进一步地，进行所述高阶模式波导的截面设计，具体为：
12.根据选定的高阶模式的模场分布设计所述高阶模式波导的界面，其中，高阶模式选自厄米-高斯模式拉盖尔-高斯和ince-高斯模式的所有高阶模式。
13.进一步地，单条所述轨迹的激光直写功率低于所述玻璃样品的损伤阈值。
14.进一步地，步骤(2)包括：
15.(2.1)根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，
计算所述基模波导的等效折射率；
16.(2.2)将所述高阶模式波导的尺寸做参数化扫描，计算不同尺寸高阶模式波导的等效折射率，通过与所述基模波导的等效折射率进行匹配，得到对应的高阶模式波导的尺寸；
17.(2.3)根据波导模式耦合方程确定耦合间距和耦合距离。
18.进一步地，步骤(2.1)包括：
19.根据与所述基模波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的直径和轨迹分布；
20.根据基模波导的轨迹重叠度，确定所述基模波导的折射率分布；
21.根据所述基模波导的折射率分布和直径，通过模式计算确定所述基模波导的等效折射率。
22.进一步地，步骤(2.2)包括：
23.通过数值计算遍历所述高阶模式波导的尺寸，计算不同尺寸高阶模式波导的等效折射率，寻找与基模波导具有相同等效折射率的高阶模式波导的尺寸。
24.进一步地，所述耦合间距的范围限制为0-100μm，所述耦合长度的范围限制在0-50mm。
25.进一步地，所述激光直写光路包括高重复频率飞秒激光器、高精度三维移动平台、光束传输系统和聚焦系统，所述高重复频率飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲通过所述光束传输系统传输至所述聚焦系统，从而将所述飞秒激光脉冲聚焦到玻璃样品内部实现激光直写，通过所述高精度三维移动平台进行移动，实现轨迹的直写。
26.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
27.(1)与传统的纳米压印、光刻、离子注入等加工手段相比，本发明基于飞秒激光直写波导，加工工艺简单、高效，且能够实现三维结构波导的加工。
28.(2)与通用的飞秒激光直写波导相比，本发明克服了激光直写波导折射率分布不均，模场难以控制的缺点。利用飞秒激光在玻璃材料中直写出多条亚微米、正折射率变化的轨迹，通过控制不同轨迹之间在三维空间的排布，基模和高阶模式波导的精密制造。
29.(3)与通用的飞秒激光直写波导相比，本发明通过控制基模波导和高阶模波导的尺寸、折射率分布，实现基模波导和高阶模波导的高效匹配，通过控制基模波导和高阶模波导的尺寸、耦合间距和耦合长度，在宽带范围(1500-1610nm)内实现基模到任意空间朝向的高阶模之间的转换，从而在玻璃材料当中，实现宽带、高耦合效率的三维定向耦合器的制造。
30.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
31.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
32.图1为基于飞秒激光直写技术制造的三维定向耦合器的示意图。
33.图2为飞秒激光直写的高阶模式波导的截面显微镜图，其中(a)为lp
11
模式的截面
显微镜图，(b)为顺时针旋转45
°
lp
11
模式的截面显微镜图，(c)为lp
21
模式的截面显微镜图。
34.图3为从lp
01
到lp
11
模式的定向耦合器的数值计算(波长：1500nm，1550nm和1600nm)示意图。
35.图4为lp
01
到lp
11
模式的定向耦合器1500-1610nm的模场测试结果示意图，其中(a)为0
°
的lp
01
到lp
11
模式的定向耦合器1500-1610nm的模场测试结果，(b)为45
°
的lp
01
到lp
11
模式的定向耦合器1500-1610nm的模场测试结果。
36.图5为lp
01
到lp
21
模式的定向耦合器的数值计算(波长：976nm)示意图。
37.图6为从lp
01
到lp
21
模式的定向耦合器976nm的模场测试结果示意图，其中(a)为lp
21
模式的耦合效率，(b)为lp
21
的模式提取因子。
具体实施方式
38.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。
39.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
40.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
41.本技术提供一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法，所述三维定向耦合器包括基模波导(core 1)和高阶模式波导(core 2)，core 1与光纤对接耦合，core 2用于传输高阶模式光信号，且core 1与core 2耦合。具体而言，所述基模波导和高阶模式波导由多条亚微米、正折射率变化的轨迹构成，core 1是曲线波导，core 2为直线波导或曲线波导，其中，曲线波导由至少三段直线波导和至少两段s型波导构成，s型波导的弯曲半径为1-200mm。所述的三维定向耦合器的适用波长范围300-2000nm，单条三维定向耦合器工作带宽至少大于50nm。
42.(1)选定玻璃样品，进行所述高阶模式波导的截面设计，根据设计的截面和所述玻璃样品的损伤阈值规划构成所述高阶模式波导的若干轨迹；
43.具体地，根据选定的高阶模式的模场分布设计所述高阶模式波导的界面，所述的高阶模式波导的截面符合任意角度(0-180
°
)高阶模式的模场分布，其中，高阶模式包含厄米-高斯模式(hermite-gaussian modes，hg
mn
)、拉盖尔-高斯(laguerre-gaussian modes，lg
mn
)和ince-高斯模式(ince-gaussian modes，ig
mn
)的所有高阶模式。高阶模式波导由多条亚微米或微米量级正折射率变化的轨迹构成。所述轨迹在三维空间内排列，两条轨迹之间的重叠在几纳米至几微米范围任意可控，且单条轨迹的激光直写功率低于样品的损伤阈值。
44.具体地，所述玻璃样品选自石英玻璃和硅酸盐玻璃，其中，硅酸盐玻璃主要组分为sio2(59.0-62.0wt％)、al2o3(16.0-22.0wt％)和碱土金属(1.9-10.0wt％)。玻璃样品的损伤阈值通过对所述玻璃样品对应的玻璃材料进行单次和多次直写得到，损伤阈值以截面出现黑色负折射率区域的临界功率为标准。
45.(2)定向耦合器的设计：根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，进而确定所述高阶模式波导的尺寸以及所述三维定向耦合器的耦合间距和耦合长度；
46.(2.1)根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，计算所述基模波导的等效折射率；
47.具体而言，根据与波导对接的光纤的数值孔径确定波导的直径和轨迹分布；再根据轨迹的重叠度确定波导的折射率分布；在已知波导的折射率分布和直径的前提下，通过模式计算确定基模的等效折射率。
48.(2.2)将所述高阶模式波导的尺寸做参数化扫描，计算不同尺寸高阶模式波导的等效折射率，通过与所述基模波导的等效折射率进行匹配(一实施例中将等效折射率小数点后四位相同定义为二者相匹配)，得到对应的高阶模式波导的尺寸；
49.具体地，通过数值计算遍历高阶模式波导(core 2)的尺寸，寻找与基模波导(core 1)具有相近等效折射率的core 2的尺寸，实现core 2高阶模和core 1基模的相位匹配。
50.(2.3)根据波导模式耦合方程确定耦合间距和耦合距离；
51.具体地，根据波导模式耦合方程确定耦合间距和耦合距离。考虑到激光直写波导的工艺实现，所述的耦合间距的范围限制为0-100μm，耦合长度的范围限制在0-50mm。
52.(3)对所述玻璃样品进行清洁，将清洁好的玻璃样品进行固定和调平，进行激光直写光路的校准；
53.具体地，玻璃样品固定在载玻片的方法为采用紫外光固化胶将玻璃与载玻片粘在一起，待加工样品的调平标准：在1cm长度样品，左右高度差小于500nm。
54.所述激光直写光路具体为一种自行搭建激光直写系统，包括高重复频率飞秒激光器(如脉宽226fs激光器)、高精度三维移动平台(重复定位精度小于100nm)和自行搭建的光束传输和聚焦系统。光束在经过聚焦物镜后，必须以确保激光与物镜光轴同轴。系统将飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲，通过约5米长的光束传输系统，传输到包含多种物镜(包括5-100倍物镜)的聚焦系统中。飞秒激光脉冲经物镜聚焦到玻璃内部，并在玻璃内部刻写三维波导结构。系统通过控制高精度三维移动平台的移动，实现任意轨迹的三维光波导。
55.(4)飞秒激光直写三维定向耦合器；
56.利用飞秒激光按照步骤(2)中设计好的定向耦合器，通过调整激光参数在玻璃材料内部进行直写。所述激光加工参数具体为，中心波长为515nm或1030nm，脉冲频率1-10000khz，脉冲宽度40-1000fs，加工物镜为放大倍数10-100倍的空气物镜或油浸物镜，直写功率10-200mw，扫描速度1-70mm/s，激光聚焦深度1-1000μm。所述激光加工中波导的轨迹的写入顺序为自下而上，从左到右；从右到左，自上而下；从外向内；从内向外。
57.以下结合实施例进行说明。
58.实施例1
59.如图1所示，本实施例提供一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器的制造
方法。本实施例中采用硅酸盐玻璃作为三维定向耦合器的材料。
60.本实施例的飞秒激光直写超宽带、高阶模式三维定向耦合器，主要包括以下五个步骤：
61.(1)高阶模式波导截面的设计：按照lp
11
高阶模式的模场分布设计波导截面，并将其旋转45
°
，如图2中的(a)、图2中的(b)所示。
62.(2)定向耦合器的设计：
63.(2.1)设定基模波导(core 1)的尺寸为8.8μm，计算基模在1500nm,1510nm和1600nm的等效折射率；
64.(2.2)计算不同尺寸高阶模式(core 2)在1500nm,1510nm和1600nm的等效折射率，使其与基模波导(core 1)实现相位匹配，即等效折射率相同，如图3所示；
65.(2.3)确定三维定向耦合器的耦合间距和耦合距离。
66.(3)清洁好的玻璃样品固定和调平，激光直写光路的校准。
67.(4)飞秒激光直写三维定向耦合器；
68.利用飞秒激光按照步骤(2)中设计好的定向耦合器，通过调整激光参数在玻璃材料内部进行直写。
69.(5)对步骤(4)中得到的样品进行抛光及测试定向耦合器性能。
70.实施例1中采用的飞秒激光参数为：中心波长1030nm，脉冲宽度214fs，重复频率1mhz，线偏振光输出。聚焦物镜参数为：100x1.3 na的油浸物镜，激光功率为28mw，扫描速度为20μm/s，聚焦深度为50μm。基模波导尺寸为8.8μm，弯曲半径为100mm，高阶模波导尺寸为23.2μm，两条波导的中心点的间距为21μm，耦合长度为0.2mm。如图4所示，0
°
和45
°
的lp
11
模式的定向耦合器在1500-1610波段达到近乎100％的耦合效率。
71.实施例2
72.本实施例的基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器的制造方法主要包括以下五个步骤：
73.(1)高阶模式波导截面的设计：按照lp
21
高阶模式的模场分布设计波导截面，如图2所示。
74.(2)定向耦合器的设计：
75.(2.1)设定基模波导(core 1)的尺寸为7.2μm，计算基模在976nm的等效折射率；
76.(2.2)计算不同尺寸高阶模式(core 2)在976nm的等效折射率，使其与基模波导(core1)实现相位匹配，即等效折射率相同，如图5所示；
77.(2.3)确定三维定向耦合器的耦合间距和耦合距离。
78.(3)清洁好的玻璃样品固定和调平，激光直写光路的校准。
79.(4)飞秒激光直写三维定向耦合器；
80.利用飞秒激光按照步骤(2)中设计好的定向耦合器，通过调整激光参数在玻璃材料内部进行直写。
81.(5)对步骤(4)中得到的样品进行抛光及测试定向耦合器性能。
82.实施例2中采用的飞秒激光参数为：中心波长1030nm，脉冲宽度214fs，重复频率1mhz，线偏振光输出。聚焦物镜参数为：100x1.3 na的油浸物镜，激光功率为30mw，扫描速度为20μm/s，聚焦深度为50μm。基模波导尺寸为7.2μm，弯曲半径为100mm，高阶模波导尺寸为
23.2μm，两条波导的中心点的间距为20.2μm，耦合长度为1.5-2.1mm。如图6所示，当耦合长度为2.1mm时，耦合器的效率接近99％。且耦合长度在1.5-2.1mm时，lp
21
的模式提取因子均高于30db。
83.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
84.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

技术特征：
1.一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法，其特征在于，所述三维定向耦合器包括基模波导和高阶模式波导，该方法包括：(1)选定玻璃样品，进行所述高阶模式波导的截面设计，根据设计的截面和所述玻璃样品的损伤阈值规划构成所述高阶模式波导的若干轨迹；(2)根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，进而确定所述高阶模式波导的尺寸以及所述三维定向耦合器的耦合间距和耦合长度；(3)对所述玻璃样品进行清洁，将清洁好的玻璃样品进行固定和调平，进行激光直写光路的校准；(4)利用校准后的激光直写光路，根据所述基模波导的尺寸和轨迹排布、所述高阶模式波导的尺寸和轨迹排布、耦合间距和耦合长度，制造三维定向耦合器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基模波导为曲线波导，所述高阶模式波导为直线波导或曲线波导，其中曲线波导由至少三段直线波导和至少两段s型波导构成，s型波导的弯曲半径为1-200mm，所述基模波导和高阶模式波导均由若干条亚微米、正折射率变化的轨迹构成。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃样品选自石英玻璃和硅酸盐玻璃。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述高阶模式波导的截面设计，具体为：根据选定的高阶模式的模场分布设计所述高阶模式波导的界面，其中，高阶模式选自厄米-高斯模式拉盖尔-高斯和ince-高斯模式的所有高阶模式。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，单条所述轨迹的激光直写功率低于所述玻璃样品的损伤阈值。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：(2.1)根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，计算所述基模波导的等效折射率；(2.2)将所述高阶模式波导的尺寸做参数化扫描，计算不同尺寸高阶模式波导的等效折射率，通过与所述基模波导的等效折射率进行匹配，得到对应的高阶模式波导的尺寸；(2.3)根据波导模式耦合方程确定耦合间距和耦合距离。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2.1)包括：根据与所述基模波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的直径和轨迹分布；根据基模波导的轨迹重叠度，确定所述基模波导的折射率分布；根据所述基模波导的折射率分布和直径，通过模式计算确定所述基模波导的等效折射率。8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2.2)包括：通过数值计算遍历所述高阶模式波导的尺寸，计算不同尺寸高阶模式波导的等效折射率，寻找与基模波导具有相同等效折射率的高阶模式波导的尺寸。9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述耦合间距的范围限制为0-100μm，所述耦合长度的范围限制在0-50mm。10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光直写光路包括高重复频率飞秒
激光器、高精度三维移动平台、光束传输系统和聚焦系统，所述高重复频率飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲通过所述光束传输系统传输至所述聚焦系统，从而将所述飞秒激光脉冲聚焦到玻璃样品内部实现激光直写，通过所述高精度三维移动平台进行移动，实现轨迹的直写。

技术总结
本发明公开了一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法，包括：选定玻璃样品，进行高阶模式波导的截面设计，根据设计的截面和玻璃样品的损伤阈值规划构成高阶模式波导的若干轨迹；根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定基模波导的尺寸和轨迹排布，进而确定高阶模式波导的尺寸以及耦合间距和耦合长度；对玻璃样品进行清洁，将清洁好的玻璃样品进行固定和调平，进行激光直写光路的校准；利用校准后的激光直写光路，根据基模波导、高阶模式波导的尺寸和轨迹排布、耦合间距和耦合长度，制造三维定向耦合器。在宽带范围内实现基模到任意空间朝向的高阶模之间的转换，从而在玻璃材料当中，实现宽带、高耦合效率的三维定向耦合器的制造。向耦合器的制造。向耦合器的制造。


技术研发人员：邱建荣 王宇莹 钟理京 陈智 马志军
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/14