阅读说明：本技术 一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器及其制备方法 (Waveguide grating coupler based on photo-thermal sensitive refraction glass and preparation method thereof ) 是由 刘春晓 陈静怡 于 2019-11-26 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器及其制备方法,该波导光栅耦合器,包括衬底材料、脊型光波导结构和光栅,所述衬底材料为光热敏折变玻璃,脊型光波导结构通过离子注入和飞秒激光烧蚀技术制备于衬底材料表面,光栅通过飞秒激光刻写技术集成制备于脊型光波导结构表面。本发明只需要运用离子注入和飞秒激光加工技术就可以实现脊型波导光栅耦合器的制备。飞秒激光加工技术既可以完成脊型波导的制备又能刻写光栅,一举两得,制备流程更加简单便捷。(The invention discloses a waveguide grating coupler based on photo-thermal sensitive refraction glass and a preparation method thereof. The invention can realize the preparation of the ridge waveguide grating coupler only by applying the ion implantation and femtosecond laser processing technology. The femtosecond laser processing technology can finish the preparation of the ridge waveguide and can write the grating, thereby achieving two purposes at one stroke and being simpler and more convenient in the preparation process.)

一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器及其制备方法，可用于集成光学技术领域。

背景技术

光栅耦合器是集成光学领域中重要的光子器件之一，也是光互连中具有实用价值的光束耦合器。它通过光栅结构对光信号进行衍射，使得倾斜入射的光耦合到波导中。波导的各种光束耦合器结构可分为端面耦合和纵向耦合，相比于其他耦合器，光栅耦合器利用光波导的垂直衍射光场实现了光信号输入或输出耦合，避免了传统端面耦合过程中需要精确光学调整架进行调整，很大程度上简化耦合操作。

波导光栅耦合器由于具有波导结构因此也具备体积小、重量轻、易于集成等优点，同时光波导性能的优劣直接影响着整个器件乃至系统的质量，如何制备性能优良的光波导成为了研究热点。

离子注入技术作为一种重要的材料改性方法，因其材料适用性广、可控性好、重复性强及注入温度可调等优点，已经发展成为一种相对成熟的波导制备方法；并且，利用离子注入技术结合飞秒激光烧蚀技术可以在光学材料上制备出二维光波导结构的脊型光波导(IEEE Photonics Journal 10(5)1-7(2018))。

体光栅耦合器是光栅耦合器的一种，它可以通过在波导内部实现折射率的周期性变化或者制作出具有倾斜条纹的光栅来提高耦合效率，但是体光栅耦合器容易受材料及制备工艺的限制。近年来，光热敏折变(PTR)玻璃引起了广泛关注，它是在传统微晶玻璃中加入光敏和热敏因子，通过紫外曝光及热处理后使其折射率发生永久性改变，是一种新型记录体光栅材料。它的出现克服了传统的体光栅记录介质的技术缺陷，是制备衍射光学器件不可多得的多功能材料；然而，目前还未见到基于PTR玻璃的波导光栅耦合器的报道。

常用的光栅制备法有双光束干涉法，但缺点是光束的干涉很难控制，因此需要探究发展一种更加简便的制备方法。考虑到飞秒激光加工技术可以对样品进行刻写、烧蚀，从而加工出任意图案(包括波导结构和光栅结构)，而且非常适用于三维复杂结构的加工，不需要掩膜，所以凭借该技术来制备波导光栅将起到简化工艺的作用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器及其制备方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器，包括衬底材料、脊型光波导结构和光栅，所述衬底材料为光热敏折变玻璃，脊型光波导结构通过离子注入和飞秒激光烧蚀技术制备于衬底材料表面，光栅通过飞秒激光刻写技术集成制备于脊型光波导结构表面。

本发明还揭示了一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：样品预处理

将光热敏折变玻璃进行切割至合适大小，进行表面光学抛光以及清洗处理；

S2：平面波导结构的制备

将经过S1步骤切割好后的光热敏折变玻璃样品放入离子加速器中，选择合适的注入条件进行离子注入，最后经过离子轰击样品表面形成平面波导层；

S3：脊型波导结构的制备

通过激光系统4发出激光光源7，使光源经过显微物镜聚焦到制成平面波导的样品上；样品5位于三维移动平台6上，利用计算机控制快门开光和三维移动平台，最终实现飞秒激光烧蚀样品，形成脊型波导结构。

S4：退火处理

将S3步骤制备的脊型波导样品放入退火炉中进行退火处理，最后自然冷却至室温；

S5：飞秒激光刻写光栅

在形成的脊型波导表面上利用飞秒激光进行纵向刻写，制备光栅结构，最终得到所述基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器。

优选地，在S1步骤中，所述光热敏折变玻璃样品切割为10.0×5.0×1.0mm³的大小。

优选地，在S2步骤中，离子注入包括轻离子注入和重离子注入。

优选地，所述轻离子注入，注入能量在400～550keV的氢离子、注入剂量为1×10¹⁶～1×10¹⁷ions/cm²、注入离子束流在100nA范围内。

优选地，所述重离子注入，选择注入能量在1MeV～8MeV的碳离子、注入剂量为1×10¹³～5×10¹⁵ions/cm²、注入束流在50nA范围内。

优选地，在所述S3步骤中，所述激光系统为Ti：Sapphire激光系统。在所述Ti：Sapphire激光系统中飞秒激光脉冲的参数为波长800nm、脉冲重复频率为1kHz、脉冲宽度为220fs，以恒定的扫描速度对样品进行烧蚀处理。

优选地，在S4步骤中，所述退火条件为在200～400℃下进行1～2h的退火处理。

优选地，在S5步骤中，所述波导光栅耦合器的光栅周期为均匀周期，光栅占空比为0.5。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明只需要运用离子注入和飞秒激光加工技术就可以实现脊型波导光栅耦合器的制备。飞秒激光加工技术既可以完成脊型波导的制备又能刻写光栅，一举两得，制备流程更加简单便捷。

本技术方案在光热敏折变玻璃的基础上制备了波导光栅耦合器，光热敏折变玻璃由于其优异的光学特性，使得它成为制备衍射光学器件重要的衬底材料。

该光栅耦合器是在二维脊型波导上集成的，二维光波导结构对光的限制度更高，可达到更高的能量密度。

本技术方案光热敏折变波导光栅耦合器在满足最基本的输入、输出耦合功能外还具备集成度高、小型化的优点。该耦合器采用离子注入和飞秒激光加工技术制备出符合技术要求，本技术方案制备出的光栅耦合器集成度高，重量小而轻，制备工艺简单。

附图说明

图1为本发明的基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器的结构示意图。

图2为本发明的制备流程示意图。

图3为本发明制备工艺过程示意图。

图4为本发明飞秒激光微加工示意图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器，如图1所示，该波导光栅耦合器包括衬底材料1、脊型光波导结构2和光栅3，所述衬底材料为光热敏折变玻璃，脊型光波导结构通过离子注入和飞秒激光烧蚀技术制备于衬底材料表面，光栅通过飞秒激光刻写技术集成制备于脊型光波导结构表面。

本发明还揭示了一种基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器的制备方法，该方法包括如下步骤：

S1：样品预处理

将光热敏折变玻璃进行切割至合适大小，进行表面光学抛光以及清洗处理；

具体地，将PTR玻璃样品进行切割获得合适的大小，并对其待加工表面进行光学抛光，同时在离子注入操作前，所述抛光后的样品需要进行清洗处理。

S2：平面波导结构的制备

将经过S1步骤切割好后的光热敏折变玻璃样品放入离子加速器中，选择合适的注入条件进行离子注入，最后经过离子轰击样品表面形成平面波导层。

将预处理好的样品进行离子注入以得到平面波导结构。在S2步骤中，离子注入包括轻离子注入和重离子注入。所述轻离子注入，注入能量在400～550keV的氢离子、注入剂量为1×10¹⁶～1×10¹⁷ions/cm²、注入离子束流在100nA范围内。所述重离子注入，选择注入能量在1MeV～8MeV的碳离子、注入剂量为1×10¹³～5×10¹⁵ions/cm²、注入束流在50nA范围内。

离子注入所需的能量范围从keV到MeV，有轻离子注入和重离子注入两种实现方法。选择合适的注入条件，利用2×1.7MV串列加速器对样品表面进行离子轰击，最后在样品抛光面上形成平面光波导。注入过程中，样品表面法线方向与入射离子束方向成7度角，以避免沟道效应，且注入离子束流限制在一定范围内防止注入过程中引起的热效应。

S3：脊型波导结构的制备

通过激光系统发出激光光束，使光束经过显微物镜聚焦到制成平面波导的样品上；样品位于三维移动平台上，利用计算机控制快门开光和三维移动平台，最终实现飞秒激光烧蚀样品，形成脊型波导结构。

具体地，将得到平面光波导结构的样品置于空间分辨率为0.2μm的三维调节平台上。通过使用Ti：Sapphire激光系统发出飞秒激光脉冲，飞秒激光再被20倍物镜(N.A.＝0.4)聚焦至样品表面上。利用计算机控制快门开光和三维移动平台，最终实现在原有平面波导样品上烧蚀形成脊型波导结构。

S4：退火处理

将S3步骤制备的脊型波导样品放入退火炉中进行退火处理，最后自然冷却至室温。

S5：飞秒激光刻写光栅

在形成的脊型波导表面上利用飞秒激光进行纵向刻写，制备光栅结构，最终得到所述基于光热敏折变玻璃的波导光栅耦合器。

在S1步骤中，所述光热敏折变玻璃样品切割为10.0×5.0×1.0mm³的大小。

在S3步骤中，所述激光系统为Ti：Sapphire激光系统。在所述Ti：Sapphire激光系统中飞秒激光脉冲的参数为波长800nm、脉冲重复频率为1kHz、脉冲宽度为220fs，以恒定的扫描速度对样品进行烧蚀处理。

在S4步骤中，所述退火条件为在200～400℃下进行1～2h的退火处理。

在S5步骤中，所述波导光栅耦合器的光栅周期为均匀周期，光栅占空比为0.5。具体的光栅周期取决于传输光信号的波长。

实施例1：

按照图2的制备流程示意图依次进行下述步骤：

(1)首先将样品PTR玻璃切割成大小为10.0×5.0×1.0mm³，并对10.0×5.0mm²的样品表面进行光学抛光处理，然后使用丙酮、乙醇和去离子水清理抛光后的样品，除去表面杂质以满足后续离子注入形成光波导的要求。

(2)使用离子束加速器发出能量为400keV，剂量为4.0×10¹⁶ions/cm²的氢离子，使得氢离子注入PTR玻璃后形成平面波导，如图3(b)所示。

(3)经过离子注入制备得到的平面光波导上使用飞秒激光脉冲纵向烧蚀，如图4所示。中心波长为800nm、脉冲宽度为220fs、脉冲重复频率为1 kHz的飞秒激光通过20×显微物镜(N.A.＝0.4)聚焦至样品表面上。样品位于三维移动平台上，平台将以恒定速度200μm/s进行烧蚀，制备出脊型光波导结构，结构如图3(c)所示。

(4)将飞秒激光烧蚀后的样品放入退火炉中进行260℃退火处理，在此温度下退火1小时然后自然冷却到室温，退火处理是减少波导损耗的有效手段。

(5)所述脊型波导最后通过图4所示的飞秒激光系统在其脊型结构上纵向刻写光栅，得到图3(d)所示的结构。光栅结构参数中的光栅周期为均匀周期，占空比为0.5。飞秒激光系统的激光参数同上述提到的一致，即最终在光热敏折变玻璃上制备出小型化、集成度高的脊型波导光栅耦合器。

实施例2：

按照图2的制备流程示意图依次进行下述步骤：

(1)样品PTR玻璃切割后得到的尺寸为10.0×5.0×1.0mm³，并对切割后的样品PTR玻璃其上表面进行光学抛光处理；抛光后的样品需要进行清理以除去表面杂质。

(2)通过能量为6MeV、剂量为5.0×10¹⁴ions/cm²的碳离子注入到清洗后的PTR样品上以此形成平面波导，结构如图3(b)所示。

(3)在所述平面光波导上利用飞秒激光烧蚀技术制备脊型波导结构，使其在两个维度上限制光的传播。将样品置于计算机控制的三维移动平台上，采用Ti：Sapphire激光系统输出光源中心波长为800nm、重复频率为1kHz、脉冲宽度为220fs的飞秒激光脉冲，随后20×的聚焦显微物镜将飞秒激光聚焦至样品表面，即平面波导层上，并以200μm/s的纵向扫描速度烧蚀。在两道烧蚀痕迹之间形成脊型光波导结构，如图3(c)所示。

(4)制备的波导结构需要经过退火处理以减少波导损耗，退火温度不能过低或过高。将样品放入退火炉中进行310℃退火处理，并在此温度下退火1.5小时，然后冷却至室温，退火处理将使得基于PTR脊型光波导的性质趋于改善。

(5)利用飞秒激光刻写技术对具备脊波导结构的样品进行刻写，刻写出具有均匀周期、占空比为0.5的光栅结构，如图3(d)所示。最终，在一块微小的PTR脊波导上集成具有光耦合功能的光栅，即制备了基于光热敏折变的波导光栅耦合器。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。