阅读说明：本技术 一种集成晶体光波导的制备方法 (Method for preparing integrated crystal optical waveguide ) 是由 胡煌 季启政 陈秋荻 冯娜 王瑾 龙丹 于 2020-03-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集成晶体光波导的制备方法,首先选取无杂质、无色透明的晶体,选定晶体的尺寸并利用激光对晶体进行切割；接着利用软件设计并优化所需光波导的参数,并对光波导进行模式分析和弯曲处的损耗计算,以确定光波导在不同的芯径下的传输模式和传输损耗；利用飞秒激光按照设计好的光波导并根据晶体材料调整飞秒激光的参数,对晶体进行刻画,得到集成晶体光波导；若在晶体的深部刻画光波导,则在两块晶体表面各刻画一半光波导,再将两块晶体固定,形成完整的光波导。本发明提供的集成晶体光波导制备方法,实现了高精度的集成光波导制备,适用于大多数晶体材料。(The invention discloses a preparation method of an integrated crystal optical waveguide, which comprises the steps of firstly selecting a crystal which is free of impurities, colorless and transparent, selecting the size of the crystal and cutting the crystal by laser; designing and optimizing parameters of the required optical waveguide by using software, and performing mode analysis and loss calculation at the bending part on the optical waveguide to determine the transmission mode and transmission loss of the optical waveguide under different core diameters; utilizing femtosecond laser to adjust parameters of the femtosecond laser according to the designed optical waveguide and the crystal material, and carving the crystal to obtain an integrated crystal optical waveguide; if the optical waveguide is carved in the deep part of the crystal, half of the optical waveguide is carved on the surfaces of the two crystals respectively, and then the two crystals are fixed to form the complete optical waveguide. The preparation method of the integrated crystal optical waveguide provided by the invention realizes the preparation of the integrated optical waveguide with high precision and is suitable for most crystal materials.)

一种集成晶体光波导的制备方法

技术领域

本发明属于晶体光波导的制备领域，具体涉及一种集成晶体光波导的制备方法。

背景技术

近年来，光纤领域得到了极大的发展，光通信技术受到了广泛应用，同时也带动了其它光电子产业的飞速发展，光波导器件作为各类光学传感器中的核心器件，其制备技术工艺也得到了巨大的提升。在现阶段的发展需求中，针对不同的应用场景需要使用不同的晶体作为刻画光波导的材料，然而由于晶体本身的物理化学性质的不同，光波导的制备工艺也不同，因此设计一种能适用于大多数晶体材料的光波导制备方法就显得尤为重要了。

使用飞秒激光直写技术能够实现在各类透明介质中光波导的刻画，例如各类光学玻璃、晶体、聚合物材料等，通过飞秒激光烧蚀，改变对应的光学材料扫描区域内的折射率，形成包层通道型光波导，从而实现不同应用场合下的光学传感器等器件所需的和兴光波导结构。

目前，传统的集成光波导制备工艺大多有以下几个方面的问题：

1)传统集成光波导制备工艺多采用薄膜沉积、质子交换等技术，但该类方法限制条件较多，实用性并不大，薄膜沉积的方法是将成束的稳定微小晶核聚集生长，形成连续的膜汇集并延伸铺展，但是由该类方法所制成的晶体光波导的晶向是随机的，因此该类方法并不适用于在各向异性介质材料中制备光波导；质子交换技术是通过质子置换出介质材料中的金属离子，从而改变区域内的折射率大小形成光波导，但是该方法容易改变材料本身的性质，且该类方法仅适用于置换原子数较低的金属离子，如LN(铌酸锂，LiNbO₃)晶体，其适用范围较小。

2)传统集成光波导制备工艺流程较为繁琐，多采用光刻、蚀刻等方法进行前期的处理工作，在前期处理过程中，需要通过光刻的方式构造出需要加工的光波导与电极传输线平面结构，之后采用湿法或干法蚀刻将多余的辅助材料腐蚀掉。这类方法制备工艺繁多、操作复杂且制备周期长；并且由于光波导的制备精度要求较高，增加了制备成本。

3)此外传统的制备工艺多是在材料表面制备加工波导结构，很难实现在材料内部直接形成所需光波导结构，即使采用飞秒激光加工技术，但在不同的介质材料中掩埋深度也很难超过8mm。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题和不足，提供一种精度高、适用大多晶体材料的集成晶体光波导的制备方法，包括以下步骤：

S1：选取无杂质、无色透明的晶体，选定晶体的尺寸并利用激光对晶体进行切割，切割完成后，对晶体表面进行光学抛光；

S2：利用软件设计所需光波导的参数，并对光波导进行模式分析和弯曲处的损耗计算，再利用软件优化光波导的参数，减少光波导在弯曲处的损耗；

S3：利用飞秒激光按照步骤S2中设计好的光波导并根据晶体材料调整飞秒激光的参数，对晶体进行刻画，得到集成晶体光波导；

进一步地，步骤S1中，所述晶体包括：磷酸二氢钾晶体、铌酸锂晶体或锗酸铋晶体。

进一步地，所述软件为Comsol多物理场仿真软件，所述损耗计算采用有限元分析方法。

进一步地，所述光波导经过Comsol多物理场仿真软件优化后，传输损耗小于1.5％。

进一步地，步骤S3中，若在晶体的深部刻画光波导，则在两块晶体表面各刻画一半光波导，再将两块晶体固定，形成完整的光波导。

进一步地，所述两块晶体通过固化胶固定。

进一步地，所述固化胶的折射率与所述晶体的折射率相同。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过对晶体采用激光切割及光学抛光，以提高晶体的透光率并保证在微米尺度上的平整度，减小在光波导使用时对光信号的反射，提高光波导的精度。

2.本发明通过在实际刻画之前对晶体光波导进行仿真处理，可以确定光波导的最优化结构参数，并且能够根据晶体材料不同和需求不同对光波导结构进行调整，由此降低光波导的传输损耗，提高光波导器件的精度。

3.本发明利用飞秒激光技术在晶体内部刻画光波导，通过改变飞秒激光参数可以实现在晶体材料中辐射区域蚀刻的折射率的改变，从而根据不同需求制备不同类型的光波导。

附图说明

图1是本发明实施例中一种Y型波导分束器的结构示意图；

图2是本发明实施例利用多物理场仿真软件对光波导模式分析及对弯曲半径进行参数化扫描；

图3是对弯曲半径进行参数化扫描结果；

图4是本发明实施例中飞秒激光3D加工示意图；

图5是本发明实施例中飞秒激光对晶体进行刻画的示意图；

图6是本发明实施例中单线折射率升高型光波导的结构示意图；

图7是本发明实施例中双线型光波导的结构示意图；

图8是本发明实施例中圆形包层通道型光波导的结构示意图；

图9是本发明实施例中矩形包层通道型光波导的结构示意图；

图10是本发明实施例中晶体表面下一半的包层通道型光波导的结构示意图；

图11是本发明实施例中深掩埋区域完整的包层通道型光波导示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

本发明采用的技术方案是，一种集成晶体光波导的制备方法：包括以下具体步骤：

S1：首先确定光波导器件的晶体材料，本实施例中选取常见的用于制作光波导的锗酸铋晶体(BGO晶体，Bi₄Ge₃O₁₂)，然后选定所要切割BGO 晶体的尺寸大小，本实施例中选定切割后的BGO晶体尺寸为4×4×15mm3，之后对BGO晶体表面进行光学抛光，以提高晶体的透光率并保证在微米尺度上的平整度。

S2：采用Comsol多物理场仿真软件对需要得到的晶体光波导结构进行仿真分析，使用光波导模式分析及对弯曲半径进行参数化扫描的方法，得到传输损耗最小的最优化结构参数，并保证整个晶体光波导的传输损耗小于1.5％。

本实施例中以一种Y型波导分束器为例，Y型波导分束器是由两个对称的光波导组成，其中两个光波导的一端连通，其结构如图1所示，以BGO 晶体为基底材料刻画光波导，对其进行光波导模式分析和参数化扫描，通过对光波导的模式分析，以及分析BGO晶体有效折射率的变化，并通过对所需模式数的设置，可以得到最接近基模状态的有效折射率。例如在设计单模光波导时，只需将模式数设置为1，将模式搜索基准值设置为芯层折射率，就可以对单模状态下的光波导传输现象进行仿真，如图2所示；在对光波导的弯曲半径进行参数化扫描时，对弯曲半径设置一个起始和终止的范围，按照确定的步长对每一个节点进行分析，将数据结果以图像的方式呈现出来，直观地反映出光波导在不同弯曲半径下的传输损耗，如图3所示。

S3：采用飞秒激光蚀刻技术在晶体上刻画光波导，整个3D加工平台如图4所示，主要是将振荡器输出的飞秒激光导入显微物镜，将飞秒激光汇聚到晶体内部，实现光波导的刻画，如图5所示。

根据飞秒激光写入光波导参数以及激光作用晶体材料的不同，通常将刻写的波导分成三类：1)I类波导，通常指单线折射率升高型波导，即飞秒激光在材料中辐射区域诱导的折射率改变量为正，导光区域位于激光损伤线上；2)II类波导，通常是指双线型波导，即飞秒激光在材料中辐射区域诱导的折射率改变量为负，由于应力挤压作用，双线间区域相对于基质材料折射率增加，形成导光区；3)第三类波导即为包层通道光波导，飞秒激光在材料中辐射区域诱导的折射率改变量为负，可以通过多次扫描得到一个折射率降低的包层，包层内区域折射率相对增加，形成导光区,并且包层通道型光波导可以根据需求不同，制成圆形、方形、脊型光波导。

对于单线折射率升高型光波导，如图6所示，通过改变入射参数，在晶体中直接写入折射率升高的痕迹，形成通道光波导。对于双线型光波导，如图7所示，通过飞秒激光对晶体进行扫描，制备两条平行的写入痕迹，两条写入痕迹处折射率降低，而在双线间区域折射率相对较高处形成导光区。对于包层通道型光波导，通过改变飞秒激光的聚焦点及光功率参数，对晶体进行多次扫描，相邻写入多条相互平行但位于不同深度的痕迹，降低这些写入痕迹处的晶体的折射率，由此组成一条连续的包层通道型光波导，包层所包围的区域内部传输通道能保证晶体的折射率、介电常数等参数性质不发生改变。圆形包层通道型光波导结构示意图如图8所示，矩形包层通道型光波导结构示意图如图9所示，在飞秒激光所刻画的条形区域内，其折射率降低，而在包层内部晶体性质不发生改变，由此形成包层通道型光波导。

在刻画光波导之前，需要先对BGO晶体的损伤阈值进行测定，以此确定最佳的飞秒激光重复频率。若损伤阈值已知，按照高损伤阈值的晶体 (>1000MW/cm2)，选用低重复频率飞秒激光加工；低损伤阈值的晶体 (<1000MW/cm2)，选用高重复频率飞秒激光加工。若晶体损伤阈值未知，需要通过对晶体的激光损伤斑点半径的测量来计算出晶体的损伤阈值，其计算公式：

其中，ρ_v(r_v)为晶体的损伤阈值，R为激光辐照半径，P为激光输出功率，r_v为晶体损伤斑点半径，通过高倍显微镜放大晶体表面损伤斑点，对其半径进行测量，从而计算出晶体损伤阈值。

若需要在晶体深掩埋区域(超过8mm)刻画光波导，本实施例以包层通道型光波导为例，先将晶体材料以光波导刻画区域为分割线切割成两部分，并分别在两块晶体表面刻画出一半的包层通道，如图10所示，之后采用折射率匹配型固化胶对两块晶体进行匹配和固定，形成完整的包层通道光波导，如图11所示。

本发明提出的集成晶体光波导制备方法，包括晶体的选取，晶体的切割，光波导结构的仿真测试，光波导的刻画，深掩埋区域光波导的制作。本发明针对不同的应用场景，光波导器件所使用的晶体材料也将不同，根据晶体自身性质及设计需求设计规划其结构参数，通过仿真实验以及飞秒激光刻画技术，实现高精度的集成光波导制备。

根据以上说明书中的阐述，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，上述实施例中提到的内容并非是对本发明的限定，在不脱离本发明的发明构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。