具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步地说明。

实施例1

耦合间距是影响耦合系数的重要参数之一，对定向耦合器中耦合间距的修改可实现对器件耦合系数的重置。在加工参数相同的情况下，定向耦合器中两条耦合臂的尺寸和截面形貌等所有基本性质均基本相同，器件的耦合间距可以被认为是两根波导的中轴线间距。因此，重置定向耦合器耦合系数的问题可以被认为是重新构成波导几何中心的问题。利用飞秒激光二次直写的方式，在初始波导中轴线间隔很近的位置二次直写出第二条拼接波导，则初始波导与第二条拼接波导会融合成为一条新的组合波导。由于组合波导由初始波导和拼接波导融合而成，所以组合波导的中心是初始波导与拼接波导几何中心的中间值，这样重新构成的组合波导的几何中心相对于初始波导的几何中心发生了偏移，即实现了波导几何中心的重新构成。利用这种方法修改初始器件的耦合区域，即可得到由两条新波导构成的新的耦合区域，由于新波导具有新的几何中心，因此耦合间距会因耦合区域波导几何中心的偏移而发生改变。进一步地，拼接波导处于耦合区内侧，即新波导的几何中心偏向耦合区内侧时，耦合间距会减小，而耦合系数会增大；相反地，拼接波导处于耦合区外侧，新波导的几何中心偏向耦合区外侧时，耦合间距会增大，而耦合系数会减小；以此，来实现对器件耦合系数的重新配置。

一种利用飞秒激光二次直写重置定向耦合器耦合系数的方法，具体步骤如下：

(1)制备待加工样品：

取一片待加工的25mm*25mm*0.7mm尺寸的样品放在滤纸上，使用镊子依次夹起丙酮棉球、乙醇棉球对样品先后擦拭一次，擦拭时沿着同一个方向避免污染样品；用镊子夹起经过丙酮和乙醇处理后的样品，使用去离子水进行冲洗一次；最后使用洗耳球沿着一个固定角度将样品吹干，并放在干净的样品盒中备用；

(2)激光加工光路的搭建及确定激光调平功率：

飞秒激光加工系统如图1所示，飞秒激光波长为1064nm，脉冲频率2000KHz,脉冲宽度400fs，激光初始功率为3W。激光由激光器出射后，经过半波片、偏振分束器后激光功率被调整。半波片被安放在一个可以旋转的步进电机上，通过软件控制使步进电机旋转起来，即可实现半波片的旋转，进而使透过偏振分束器之后的激光功率得到定量调整。穿过偏振分束器之后的激光经过第一反射镜被反射，经过第一凹透镜和第二凸透镜后激光被扩束，第一凹透镜焦距为-7.5mm，第二凸透镜焦距为30mm，扩束倍数为4倍，扩束后激光光斑直径由原来的3mm增大为12mm。扩束后的激光经过光阑选出能量分布均匀，且光斑直径与物镜入口尺寸相同的激光光束。本次实验中选择的物镜是20倍奥林巴斯干式物镜，物镜入口尺寸为7mm，因此穿过光阑后的激光光束直径也为7mm。然后激光经过第二反射镜和第三反射镜反射后进入物镜；然后激光经过物镜聚焦于样品表面；样品放置于样品台上，样品台与气浮运动平台相连，可进行三维运动；激光经过物镜汇聚在样品表面或内部以后会有一部分激光反射。反射激光经过物镜后穿过第三反射镜，并由第四反射镜反射后，经过焦距为50mm的第三凸透镜汇聚在成像相机上成像。根据成像相机中光斑形貌可以判断经过物镜聚焦后的激光焦点处于样品表面还是内部。

由于调平需要使激光聚焦在样品表面进行后续操作，而过高的激光功率会烧蚀样品，因此实验中尽量使调平功率尽可能低。具体地，在第三反射镜和物镜之间放置一个功率计，调节步进电机软件，控制半波片旋转角度，使得功率计读数为20mw，作为调平功率。

(3)调平样品：

调平的原理是：根据三点确定一个平面的原则，调节样品三个顶点位于同一水平高度，即可使样品水平。具体展开解释为，由图1可知，激光经过物镜聚焦之后会汇聚为一个焦点，调节三维位移运动平台使焦点刚好处于样品顶点的表面时，焦点位置的激光经过样品表面反射后，经过第三凸透镜汇聚后进入成像相机，此时成像相机中会出现一个“十字”型的光斑，即此时证明是将激光聚焦到样品表面；调节样品台倾角的旋钮使得样品三个顶点的反射光斑都是“十字”型的光斑，证明三个顶点处于同一水平高度，即调平结束。依据上述原理，具体地实验操作如下：

将待激光加工的玻璃样品固定在气浮运动平台上方的样品架上；调节气浮运动平台的XY轴，使物镜处于样品左上角位置；然后，调节Z轴使物镜和样品之间的间距每间隔100微米缩短一次，并且观察成像相机中是否有反射光斑出现；根据光斑形貌判断焦点位置是在表面以上(上移)还是在表面以下(下移)；根据焦点上移时反射光斑中心区能量变弱直径变大，焦点下移时反射光斑环带数量增多且直径变大，这两个明显的判断标准可以使物镜和样品之间的间距控制在正负1微米的误差范围内，足以满足调平需求；根据上述判断标准，移动运动平台Z轴使左上角的反射光斑在成像相机中刚好出现“十字”型的光斑；后续移动运动平台Y轴23厘米，使物镜位于样品左下角正上方，此时样品可能不平整，因此成像相机中的光斑不再是“十字”型的光斑，需要焦点上移和下移的光斑判断标准确定此时物镜和样品左下角之间的间距是变大还是变小，然后调节二维倾角调平台的θx旋钮使成像相机中再次出现“十字”型的光斑；由于样品的左上角可能不在调平台的中心位置，调节θx旋钮后，左上角的高度也发生了变化，因此需要移动运动平台Y轴-23厘米返回左上角；此时左上角光斑极大可能也发生了变化，再次调节二维倾角条平台的θx旋钮使成像相机中再次出现“十字”型的光斑；后续反复在左上角和左下角两个顶点来回切换，并依据光斑判断高度，反复调节θx旋钮一直到两个顶点同时出现“十字”型的光斑，证明样品在Y轴方向水平；同理，可以反复调节左上角和右上角两个顶点处于同一水平位置；同时调节左上角、左下角和右上角三个顶点处于同一水平位置后，可以初步认为样品处于水平状态；最后，移动运动平台到样品右下角的顶点，观察此时成像相机中光斑状态，如果第四个顶点的反射光斑也处于“十字”型则证明整个样品确实处于完美的水平状态，可以等待后续加工使用。

(4)确定起始加工位置：

调平结束后，移动运动平台XY轴，使物镜处于样品左上角；然后每间隔100微米移动一次X轴，一直到成像相机中的“十字”型反射光斑消失，证明物镜处于样品X轴的边缘位置；同理，每间隔100微米移动一次Y轴，一直到光斑消失，证明物镜处于样品真正的左上角位置。此时，将左上角的位置作为起始加工位置，并设置运动平台软件将此处坐标归零，即(0，0，0)点。

(5)确定激光加工功率：

将功率计放置于第三反射镜和物镜之间，控制旋转步进电机的软件使半波片转动，直到功率计读数为300mw；此时该功率作为第一次和第二次直写的加工功率。

(6)第一次直写初始器件：

初始器件是由耦合长度逐渐递增的、其它参数均一致的定向耦合器构成；如图2中(a)所示，定向耦合器的宽度为127微米，器件总长度为25厘米，拐弯区的曲率半径为60毫米，初始耦合间距是8微米，器件的直写速度为60毫米每秒；根据上述的具体参数和要求，完成加工程序的制作；将写好的第一次加工程序加载到三维运动平台的软件中，点击运行，制备初始器件。

(7)第二次直写器件：

为了实现耦合区中波导几何中心的偏移，采用如图2(b)和(c)所示的结构。飞秒激光第一次直写的初始定向耦合器由初始第一波导和初始第二波导组成，第一波导和第二波导在图中用深灰色区域表示。利用飞秒激光二次直写技术在第一波导或者第二波导中轴线附近的位置二次直写拼接波导，在图中用虚线框表示，拼接波导和初始波导中轴线距离为Δd为±(0μm-3μm)。由于拼接波导与初始第一波导(2)距离很近，因此这两根波导融合成为一根新的组合第三波导(4)。可以发现，初始波导和拼接波导的几何中心并不重合，所以它们重新构成的组合波导的形状在水平方向会增加，也就是说相比于初始波导而言，组合波导的横向尺寸增大了。进一步发现，由于拼接波导和初始波导的加工参数一致，因此组合波导的几何中心是拼接波导和初始波导几何中心的中间值，即组合波导的几何中心相对于初始波导来说就发生了偏移。根据上述方法，初始器件经过飞秒激光二次直写后，其耦合区中两根波导的几何中心被修改(偏移)。由于耦合间距是根据耦合区中两根波导的中轴线间距(几何中心间距)定义，因此，波导几何中心的偏移会直接引起耦合间距的变化，从而进一步影响到耦合系数的变化；如图2(b)所示，当第二次直写的拼接波导在耦合区内侧时，根据两根新的组合波导的几何中心来定义，新的耦合间距为d₁，相比初始间距d₀明显缩小；如图2(c)所示，当第二次直写的拼接波导在耦合区外侧时，新的耦合间距为d₂，耦合间距相比初始间距d₀明显增大；实验中，第二根波导偏离第一根波导的范围在0-3微米，因此d₁最小值为5微米，而d₂最大值为11微米；使第二次直写的波导与第一次直写的初始波导具有相同的长度，则耦合区完全由新的组合波导构成，具有一个新的耦合系数；根据上述方式，书写第二次加工的加工程序，即程序根据第一次的程序以及起始加工位置来定位二次直写的坐标，扫描速度依旧为60毫米每秒，保留第一组作为对照组，对其它组的定向耦合器进行二次直写；将运动平台移动至(0，0，0)点后，点击加工程序，进行二次加工。

(8)抛光待测试的样品：

将加工好的样品取下，用手拿住样品，给波导端面所在的两个样品侧面进行砂纸抛光，先用400目的砂纸快速抛掉边缘不需要的位置，两个侧面用掉一页砂纸即可；然后分别使用1000目和2000目的砂纸进行细抛；然后使用抛光机进行精抛，样品放置于抛光机的夹具上，使用50纳米的抛光液进行抛光，每一侧的抛光时间为40分钟；样品抛光结束后，擦干净等待测试。

(9)测试样品：

对器件二次直写前和二次直写后的耦合区进行表征，利用显微镜观察耦合区的波导端面发现，初始器件的耦合区由两根彼此分开的初始波导构成，如图3(a)所示，初始第一波导和初始第二波导的横向尺寸为5微米，把穿过两根初始波导几何中心的两条竖直线分别称作初始波导中心线1和初始波导中心线2，并且在图中用粗的竖直线表示。根据耦合间距的定义(即耦合区中两根波导的几何中心的间距)可知，初始器件的耦合间距是初始波导中心线1和初始波导中心线2的间距，记作d₀。在实验中，给初始器件的耦合间距设计为8微米，也就是d₀等于8微米。当利用本发明的一种利用飞秒激光二次直写重置定向耦合器耦合系数的方法时，其效果如图3(b)和图3(c)所示。先讨论图3(b)，飞秒激光第一次直写的两根初始波导仍然用粗的竖直线表示，和图3(a)中一样其中心间距仍然是d0；对器件耦合间距重新构成的过程如下：在耦合区内侧靠近初始波导中心3微米的位置(也就是初始中心线1和初始波导中心线2之间的区域，并与初始中心线1或者初始中心线2间距3微米的位置)，利用飞秒激光第二次直写的策略制备出一条拼接波导；由于拼接波导和初始波导距离很近且仅3微米，所以初始波导和拼接波导融合成为一根新的组合波导，并且组合波导仍然支持810nm单模传输；由于组合波导由初始波导和拼接波导构成，所以其横向尺寸相比于初始波导来说增加了，在图3(b)中用椭圆形虚线描绘其边缘轮廓；进一步地，由于初始波导和拼接波导的加工参数一样，所以组合波导的几何中心是这两根波导几何中心的中间值，如图3(b)中用组合波导中心线1和组合波导中心线2描述组合波导的几何中心位置(即椭圆形的中线竖直中心线位置)；可以很清楚的看见，组合波导中心线1和初始中心线1是不重合的，也就是说经过飞秒激光二次直写后耦合区中波导的几何中心发生了偏移，根据耦合间距是由两根耦合波导地几何中心距离定义，那么新的耦合间距就是d₁；进一步地，由于是在耦合区内侧进行地二次直写，组合波导中心线1和组合波导中心线2更加向中间靠拢，所以可以很明显地看见耦合间距d1小于初始耦合间距d0；进一步地，由于拼接波导距离初始第三波导微米，所以中间值就是1.5微米，也就是说组合波导中心线1相比于初始波导中心线1向耦合区内侧偏移了1.5微米。同理组合波导中心线2也是向内侧偏移了1.5微米。那么在组合第一波导和组合第二波导的几何中心同时向内偏移1.5微米的情况下，修改后的耦合间距d₁是5微米。根据图3(b)中同样的方式，在图3(c)中，利用飞秒激光在初始波导外侧直写出拼接波导后，组合波导的中心线相比于初始波导中心线向耦合区外侧偏移1.5微米，这样新的耦合间距d₂就增大为11微米。从图3(a)、(b)和(c)可以很清楚地得到耦合区被修改后，耦合间距可以变小和变大的结论；而耦合区间距被修改后，其对耦合系数的影响如何，需要对耦合区进行模场重叠程度测试。在定向耦合器的输入口通入810纳米的激光，使用单模分析仪进行观测，得到耦合区模场交叠情况；如图3(d)所示，初始器件两根波导的模场交叠程度为44.1％，也就是说图3(a)中的初始器件的模场交叠程度为44.1％；如图3(e)所示，利用飞秒激光二次直写策略在耦合区内侧对器件进行二次直写后，器件两根新波导的模场交叠程度增大为56.7％，也就是说图3(b)中的被修改后器件的模场交叠程度为56.7％；结合图3(b)中得出的耦合间距d1比耦合间距d0变小的结论一起分析，可以知道耦合间距变小以后，耦合区两根耦合波导的模场交叠程度变大，根据耦合模理论，这样光波能量在两根波导中的振荡频率变快，就可以使得耦合系数增大；同理，如图3(f)所示，利用飞秒激光二次直写策略在耦合区外侧进行二次直写后，器件两根新波导的模场交叠程度减小为24.4％,也就是说图3(c)中的被修改后器件的模场交叠程度为24.4％,同理分析可以知道，模场交叠程度变小，会引起耦合系数减小；综上所述，利用飞秒激光二次直写的方法，可以改变波导的几何中心位置，进一步改变耦合间距，进一步影响模场交叠程度，最后引起耦合系数的变化。上述是对耦合系数可以被该发明重置的理论上的讨论，如何得到耦合系数重置后的具体实验数值，需要进行更加精确的测试；接下来对芯片上的多组定向耦合器进行分束比的测量，并拟合数据得到如图4所示的结果；横坐标表示被二次直写后的器件的耦合间距，横坐标不同的数值表示利用飞秒激光二次直写策略制备的拼接波导与初始波导的位置和间距不同，8微米时是初始器件的耦合间距，当拼接波导处于耦合区内侧或者外侧并且距离3微米时，耦合间距有最小值5微米或者最大值11微米(之前已经详细介绍过)；纵坐标是耦合系数。根据图中数据点，不难发现，当二次直写的拼接波导处于耦合区内侧时，耦合间距d1变小，耦合系数增大，最大可以增加到2.1rad/mm；相反地，耦合系数减小，最小可以减小到0.47rad/mm；经过分析，初始器件的耦合系数可以被重置的范围是0.47-2.1rad/mm；综上，证明了初始器件经过二次直写后可以实现耦合系数的重置，即本发明提供了一种利用飞秒激光二次直写重置定向耦合器耦合系数的方法。

实施例2一种利用飞秒激光二次直写重置定向耦合器耦合系数的应用：

(1)制备待加工样品：同实施例1。

(2)确定激光调平功率：同实施例1。

(3)调平样品：同实施例1。

(4)确定起始加工位置：同实施例1。

(5)确定激光加工功率：同实施例1。

(6)第一次直写初始器件：

初始器件是由耦合长度固定的一系列相同的定向耦合器构成，定向耦合器的宽度为127微米，器件总长度为25厘米，拐弯区的曲率半径为60毫米，初始耦合间距是8微米，器件的直写速度为60毫米每秒；根据实施例1中初始器件的分束比变化趋势可以得知，耦合长度为3.5毫米时，器件初始分束比约为50：50；根据上述的具体参数和要求，完成加工程序的制作；将写好的第一次加工程序加载到三维运动平台的软件中，点击运行，制备初始器件。

(7)第二次直写以实现器件分束比的重置：

在实施例1中第一次制备的初始器件，耦合长度固定为3.5毫米、耦合间距固定为8微米时，定向耦合器的分束比约为50：50；利用上述加工参数在另外一个芯片上去重新加工定向耦合器时，理论上仍然会得到50：50的分束比，然而由于制造误差的存在，后续加工的定向耦合器的分束比尽管非常接近理想值，但多少会存在一些偏差，这种偏差经过多个器件的累积之后将会影响芯片的性能；为了解决上述问题，本发明提出了一种利用飞秒激光二次直写重置定向耦合器耦合系数的方法来实现定向耦合器分束比的重置，使之回复到理论值；理论上，器件的分束比与耦合系数和耦合区耦合长度两个因素密切相关，并且分束比和上述两个参数之积满足正弦函数平方的变化趋势。然而，对于一个已经制备完成的器件来说，其耦合长度是无法再改变的，因此可以通过改变耦合系数的方式实现其分束比的重置。在实施例1中已经展示了重置定向耦合器耦合系数的方法，现在利用这种方法来实现定向耦合器分束比的重置；由实施例1可知，当对耦合区整体进行二次直写时，耦合系数为K1，而初始耦合系数为K0；现在设计了一种可以多次改变器件耦合系数地方式，如图5(a)所示，在耦合区内侧的其中一部分耦合区进行二次直写，修改的部分为K1，没有进行修改的部分仍然为K0；器件耦合区的耦合系数由K1和K0共同组成，那么器件的平均耦合系数K01将介于K0和K1之间，并且随着二次直写长度Ls地逐渐增加，K01会逐渐趋近于K1；根据上述耦合系数和分束比的关系，耦合系数每次被重置时都会引起器件分束比的重置，那么利用飞秒激光二次直写多次改变二次直写波导的长度，即可多次重置耦合系数K01，进一步实现器件分束比的多次重置；同理，如图5(b)所示，在耦合区外侧的其中一部分耦合区进行二次直写，被修改的部分为K2，没有进行修改的部分为K0；由于K2小于K0，那么器件的平均耦合系数K02将介于K2和K0之间，并且随着二次直写长度Ls地逐渐增加，K02会逐渐趋近于K2；同理，利用飞秒激光二次直写多次重置耦合系数K02，则可以实现器件分束比的多次重置。实验中，在耦合区内侧距离初始第一波导中轴线微米的位置进行不同长度的二次波导的直写，如图5(a)所示；在耦合区外侧距离初始第一波导微米进行不同长度的二次直写，如图5(b)所示；按照上述要求书写好加工程序，在软件中加载程序并开始运行。

(8)抛光待测试的样品：同实施例1。

(9)测试样品：

在步骤(7)中介绍了按照实施例1中的加工参数，器件的初始分束比理论上应该为50：50，但是由于制造误差的存在，其具体的分束比为46.1：53.9，如图6中C0点所示；为了实现器件分束比的修复，采用本发明的一种利用飞秒激光二次直写重置定向耦合器耦合系数的方法来进行实验；图6中圆形数据点和方形数据点分别代表在耦合区内侧和外侧二次直写后，器件分束比的变化趋势；在耦合区内侧和外侧二次直写以修改器件时，耦合系数得到重置，而分束比也被重置为新的数值；由图可知，一个已经被制备完成的器件经过飞秒激光二次直写重置其耦合系数之后，器件的分束比不仅可以修复为非常接近理想值50：50，甚至可以被重置为包括0：100和100：0等分束比在内的任意数值；这种利用飞秒激光二次直写重置定向耦合器耦合系数的方法在实现器件分束比重置的方面得到了很好的应用，为解决飞秒激光制备光量子芯片时存在的误差问题提供了一个很好的解决途径。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。