專利名稱：一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可提供光增益的稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，屬于集成光學(xué)陀螺耦合諧振環(huán)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于近期硅基光子器件的突破進(jìn)展，未來(lái)集成光學(xué)陀螺的研究將全光子集成方向發(fā)展，也就是將不同的分離器件比如光源、波導(dǎo)環(huán)(代替光纖環(huán))、探測(cè)器等集成在同一芯片中以減小器件體積，降低成本，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。此外，在光纖陀螺的產(chǎn)品線中，有一種三軸的光纖陀螺，它的三個(gè)感應(yīng)軸使用同一個(gè)超輻射發(fā)光二極管光源，并把個(gè)調(diào)制器、分束器、探測(cè)器集成到同一個(gè)芯片上。試想，若使用光波導(dǎo)及硅基光子集成技術(shù)將三軸諧振式光波導(dǎo)陀螺集成在同一芯片上，那么其體積將進(jìn)一步大幅減小(微納米量級(jí))。通常實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)小型化有兩種不同的途徑。第一種是通過(guò)增加包層/芯層折射率差值最大限度地縮小光波導(dǎo)尺寸，如被廣泛研究的SOI波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。然而這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)集成方式僅限于平面光路(二維)集成且多為無(wú)源結(jié)構(gòu)，從而在一定程度上限制了其發(fā)展。第二種方式就是在體材料中充分利用其特征實(shí)現(xiàn)分層的波導(dǎo)器件集成，也就是本專利申請(qǐng)中提出的一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)三軸集成光學(xué)陀螺。相比硅基薄膜波導(dǎo)，玻璃波導(dǎo)可以方便的引入光增益、可以很好地與標(biāo)準(zhǔn)光纖實(shí)現(xiàn)低損耗耦合，因而收到廣泛研究重視。玻璃材料也因制備工藝簡(jiǎn)單、成本低廉而使之為制造低成本光集成器件提供很好的選擇。目前，用于制備玻璃波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的主要工藝有離子注入、離子交換、質(zhì)子束刻寫(xiě)和飛秒激光刻寫(xiě)等，前兩種方法在制備過(guò)程中首先需要制備掩膜以控制波導(dǎo)區(qū)域，并且多用于平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(二維)的制備。飛秒激光利用超短激光脈沖聚焦到透明材料內(nèi)部，在焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生非線性吸收引起材料結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而產(chǎn)生正折射率變化。通過(guò)控制脈沖能量、焦點(diǎn)大小、掃描速度可以方便的實(shí)現(xiàn)不同方位(深度)不同尺寸(模式)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)間隔，使之相互達(dá)到理想的光隔絕。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)模擬波導(dǎo)尺寸，既有可能實(shí)現(xiàn)不同功能的光學(xué)器件集成在同一塊玻璃材料中，實(shí)現(xiàn)三維光學(xué)集成。本發(fā)明就利用飛秒激光超短脈沖在稀土摻雜玻璃內(nèi)部刻寫(xiě)不同方向的諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三維光學(xué)集成，和現(xiàn)有平面玻璃光波導(dǎo)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)相比，此方案將具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
1、目的本發(fā)明的目的在于提供一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法。這一結(jié)構(gòu)可以有效地實(shí)現(xiàn)1. Mum波段的光增益以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中的光損耗。這一結(jié)構(gòu)可以用于構(gòu)建集成化3軸玻璃基光波導(dǎo)陀螺。2、技術(shù)方案
本發(fā)明一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法具體步驟如下步驟一、采用傳統(tǒng)熔融法制備塊狀立方體(邊長(zhǎng)范圍5 50mm)稀土摻雜玻璃作為結(jié)構(gòu)材料。其基質(zhì)材料是磷酸鹽或者鋁酸鹽玻璃。摻雜稀土元素為鉺Er和鐿％。其中 Yb作為Er發(fā)光的有效的敏化劑，有助于Er離子在1. 5 μ m波段的受激光發(fā)射。玻璃基質(zhì)中稀土離子摻雜濃度范圍為Er :0. 6 IOwt% Jb :1 IOwt%。步驟二、在上述的稀土摻雜玻璃立方體塊狀材料的3個(gè)相互垂直的面下方一定深度(深度0. 1 < Z < Imm)利用飛秒激光分別刻寫(xiě)3個(gè)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。該諧振環(huán)結(jié)構(gòu)由兩部分組成第一部分是圓形或跑道形的諧振腔，第二部分是與前者距離很近，幾乎相切的，作為輸入(輸出)耦合器的兩條直波導(dǎo)，如圖3所示。由于Er的摻入，在玻璃基質(zhì)諧振環(huán)中傳播的信號(hào)光獲得可控的光放大效應(yīng)，以補(bǔ)償光在傳播、耦合過(guò)程中產(chǎn)生的損耗。這樣在3個(gè)相互垂直的平面中制備諧振環(huán)，可以用來(lái)測(cè)量沿3個(gè)平面法向方向的角速度大小，以實(shí)現(xiàn)3 軸集成光陀螺。飛秒激光利用超短激光脈沖聚焦到透明材料內(nèi)部，在焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生非線性吸收， 進(jìn)而引起材料結(jié)構(gòu)變化，產(chǎn)生正折射率變化。通過(guò)控制脈沖能量( μ J)、掃描速度( μ m/s)、透鏡參數(shù)等，可以方便的實(shí)現(xiàn)不同方位(深度)不同尺寸(模式)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，利用飛秒激光實(shí)現(xiàn)距玻璃材料表面不同距離的波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)不同方向的波導(dǎo)。3、優(yōu)點(diǎn)及功效本發(fā)明一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，它可以得到在 1.54ym的光增益，其強(qiáng)度取決于泵浦光強(qiáng)度和稀土離子摻雜濃度大小和比例。稀土離子產(chǎn)生的光增益可以有效地補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中傳輸光的損耗，增強(qiáng)其作為光波導(dǎo)陀螺的信噪比。因此， 將本發(fā)明的方案實(shí)施于光波導(dǎo)陀螺，可以實(shí)現(xiàn)具有高靈敏度的集成化光波導(dǎo)陀螺。


圖1為本發(fā)明所述的利用飛秒激光刻寫(xiě)的不同深度不同方向的波導(dǎo)示意圖；圖2為圖1所示波導(dǎo)示意圖的俯視圖，圖中Z代表波導(dǎo)與玻璃上表面之間的距離；圖3為本發(fā)明提出的稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)立體結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明流程框圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。見(jiàn)圖4，本發(fā)明是一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法具體步驟如下步驟一、玻璃基質(zhì)選擇鋁酸鹽玻璃，采用傳統(tǒng)熔融法制備，并制作成圖3所示的塊狀立方體。具體制備過(guò)程為選用設(shè)備型號(hào)為GGME-10/150的8KW硅鉬棒箱式電阻爐，將裝在剛玉坩堝中的樣品放入該電阻爐中，在900°C下加熱15分鐘后，取出用玻璃棒快速攪拌， 并繼續(xù)在900°C下加熱30分鐘，加熱結(jié)束后迅速倒入到已經(jīng)預(yù)熱為380°C的模具中自然退火至室溫，然后切割、研磨成如圖3所示IOmmX IOmmX IOmm的立方塊。其基質(zhì)成分和摻雜稀土離子種類及其濃度如下
基質(zhì)(wt%)CaO 30%Al2O3 :35%B2O3 :35%Er 濃度 1 % ;Yb 濃度 3 %。步驟二、利用飛秒激光在所述塊狀立方體稀土摻雜玻璃中刻寫(xiě)耦合諧振環(huán)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。飛秒激光利用超短激光脈沖聚焦到透明材料內(nèi)部，在焦點(diǎn)區(qū)域產(chǎn)生非線性吸收引起材料結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而產(chǎn)生正折射率變化。圖1、圖2所示為利用飛秒激光在塊狀長(zhǎng)方體稀土摻雜玻璃中刻寫(xiě)不同深度，不同方向波導(dǎo)的示意圖。圖2中的Z值代表波導(dǎo)深度，即波導(dǎo)與圖1中上表面之間的距離。具體制備諧振環(huán)的過(guò)程為采用中心波長(zhǎng)為SOOnm、脈沖寬度為50ns、重復(fù)頻率為 IKHz的飛秒激光作為刻寫(xiě)激光束，將其緊聚焦到上述稀土摻雜鋁酸鹽玻璃內(nèi)刻寫(xiě)出掩埋光波導(dǎo)，制作出所需諧振環(huán)結(jié)構(gòu)。設(shè)置脈沖能量為2yj，并由顯微物鏡緊聚焦，聚焦的飛秒激光束垂直入射到玻璃塊的一個(gè)面上。由探測(cè)器檢測(cè)聚焦光斑的大小及其在玻璃塊中的定位，激光束焦點(diǎn)位于表面下0. 3mm,即刻寫(xiě)出的諧振環(huán)距表面距離0. 3mm。玻璃塊固定在精密三維移動(dòng)平臺(tái)上，平臺(tái)移動(dòng)速度為5 μ m/s，沿圓形移動(dòng)則刻寫(xiě)出圓形諧振環(huán)。利用此方法在塊狀立方體玻璃材料的3個(gè)相互垂直的面上刻寫(xiě)3個(gè)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，由于 Er的摻入，在玻璃基材料中諧振環(huán)中傳播的信號(hào)光可以獲得可控的光增益，以補(bǔ)償光傳播、 光耦合中產(chǎn)生的損耗。在3個(gè)相互垂直的平面中制備諧振環(huán)可以測(cè)量3個(gè)平面法向方向的角速度大小，以實(shí)現(xiàn)3軸集成光陀螺。
權(quán)利要求
1.一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，其特征在于該方法具體步驟如下步驟一、采用傳統(tǒng)熔融法制備塊狀立方體稀土摻雜玻璃作為結(jié)構(gòu)材料，該基質(zhì)材料是磷酸鹽、鋁酸鹽玻璃；摻雜稀土元素為鉺Er和鐿％ ；其中Jb作為Er發(fā)光的有效的敏化劑， 有助于Er在1. 5 μ m波段的受激光發(fā)射；步驟二、在上述的稀土摻雜玻璃立方體塊狀材料的3個(gè)相互垂直的面下方深度處，利用飛秒激光分別刻寫(xiě)3個(gè)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)；該諧振環(huán)結(jié)構(gòu)由兩部分組成第一部分是圓形、跑道形的諧振腔，第二部分是與前者距離很近的，作為輸入、輸出耦合器的兩條直波導(dǎo)；由于Er 的摻入，在玻璃基質(zhì)中諧振環(huán)中傳播的信號(hào)光獲得可控的光放大效應(yīng)，以補(bǔ)償光在傳播、耦合過(guò)程中產(chǎn)生的損耗；這樣在3個(gè)相互垂直的平面中制備諧振環(huán)，用來(lái)測(cè)量沿3個(gè)平面法向方向的角速度大小，以實(shí)現(xiàn)3軸集成光陀螺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法， 其特征在于步驟一中所述的在玻璃基質(zhì)中摻雜稀土元素，其摻雜濃度范圍為Er :0. 6 IOwt % ；Yb :1 IOwt %。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法， 其特征在于步驟一中所述的采用傳統(tǒng)熔融法制備塊狀立方體的稀土摻雜玻璃作為結(jié)構(gòu)材料，該塊狀立方體的邊長(zhǎng)范圍為5 50mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法， 其特征在于步驟二中所述的在稀土摻雜玻璃立方體塊狀材料的3個(gè)相互垂直的面下方深度處利用飛秒激光分別刻寫(xiě)3個(gè)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，該深度處范圍為0. 1 < Z < 1mm。
全文摘要
一種稀土摻雜玻璃基三維有源耦合諧振環(huán)結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法，該方法有兩大步驟步驟一、采用傳統(tǒng)熔融法制備塊狀立方體稀土玻璃基。玻璃基質(zhì)中稀土離子摻雜濃度范圍為Er0.6～10wt％；Yb1～10wt％。步驟二、利用飛秒激光在制備的塊狀立方體稀土摻雜玻璃中刻寫(xiě)耦合諧振環(huán)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明中的3維有源諧振環(huán)結(jié)構(gòu)可構(gòu)建3軸集成光學(xué)陀螺以測(cè)量3個(gè)方向的角速度大小。稀土離子的摻入提供光增益有效地補(bǔ)償結(jié)構(gòu)中傳輸光的損耗，增強(qiáng)光波導(dǎo)陀螺的信噪比。因此，將本發(fā)明實(shí)施于光波導(dǎo)陀螺，可以實(shí)現(xiàn)具有高靈敏度的集成化3軸光波導(dǎo)陀螺。它在集成光學(xué)陀螺耦合諧振環(huán)技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)G02B6/13GK102253449SQ20111007376
公開(kāi)日2011年11月23日 申請(qǐng)日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者燕路, 肖志松, 鄧思盛 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)