本發(fā)明屬于激光加工，具體涉及利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法。

背景技術(shù)：

1、隨著集成光子學(xué)的不斷發(fā)展，光芯片的制備工藝不斷成熟?，F(xiàn)有的波導(dǎo)制備工藝包括傳統(tǒng)光刻、電子束曝光、飛秒激光直寫等加工技術(shù)。傳統(tǒng)的光刻和電子束曝光技術(shù)存在制備工藝復(fù)雜、制備周期長、三維集成效率低等缺點。而飛秒激光直寫技術(shù)以其工藝簡單、高效、真三維、和材料適用性強等優(yōu)點，推動了三維光子芯片領(lǐng)域迅速發(fā)展。但是，影響飛秒激光直寫光子芯片集成度的關(guān)鍵因素之一是急彎傳輸下波導(dǎo)的損耗過大。急彎傳輸下波導(dǎo)損耗過大的原因是飛秒激光直寫波導(dǎo)的折射率改變量小導(dǎo)致輻射損耗大、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中存在雜質(zhì)離子增大了散射損耗和吸收損耗。

2、現(xiàn)有的降低波導(dǎo)彎曲損耗的技術(shù)包括利用空氣裂縫增加波導(dǎo)彎曲部分的折射率實現(xiàn)低損耗轉(zhuǎn)彎，但該方法會破壞材料的完整性，降低集成度。此外，利用飛秒激光精細化調(diào)控s型波導(dǎo)彎曲處的折射率也能有效降低波導(dǎo)損耗，但該方法需要多物鏡配合加工使制備工藝復(fù)雜且無法解決90°急彎波導(dǎo)的損耗難題，難以滿足集成光子芯片波導(dǎo)急轉(zhuǎn)彎的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明提供了利用飛秒激光原位多次改性制備不同彎曲半徑的90°急彎低損耗波導(dǎo)的方法，采用飛秒激光原位多次改性能精確優(yōu)化單次直寫中90°急彎波導(dǎo)存在彎曲損耗大的問題。其主要原理如下，通過控制高精度三維運動平臺使飛秒激光聚焦在材料內(nèi)部，調(diào)節(jié)飛秒激光加工能量和激光掃描速度達到單模波導(dǎo)的制備條件；再利用飛秒激光原位多次改性調(diào)控波導(dǎo)性能，制備出不同彎曲半徑的90°低損耗急彎波導(dǎo)。原位多次改性能使材料中受激光改性的材料結(jié)構(gòu)更加致密，波導(dǎo)的芯層折射率升高，有助于抑制輻射損耗；原位多次改性也可以驅(qū)動波導(dǎo)中的雜質(zhì)離子遷移至波導(dǎo)邊界，降低雜質(zhì)離子對光的散射和吸收，降低波導(dǎo)的吸收和散射損耗。因此，可利用飛秒激光原位多次改性制備小彎曲半徑90°急彎低損耗波導(dǎo)，不僅解決了飛秒激光直寫彎曲損耗大的問題，且該技術(shù)制備工藝簡單，可靠性高，簡單易實現(xiàn)，將有助于大幅度提高飛秒激光直寫光子芯片的集成度。

2、本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，具體包括如下步驟：

4、步驟一：搭建光路及樣品臺的調(diào)平，具體步驟如下：

5、飛秒激光器出射低單脈沖能量的飛秒激光，調(diào)整角度使飛秒激光依次通過二分之一波片hwp和偏振分束器pbs器件的中心，調(diào)節(jié)第一反射鏡m1使光束通過擴束鏡f1的中心，利用擴束鏡將激光出射的光束擴大；擴束后的光束經(jīng)過第二反射鏡m2后均勻的照射在空間光調(diào)制器slm上，經(jīng)過空間光調(diào)制器反射的光束依次通過第三反射鏡m3、第四反射鏡m4、第一凸透鏡f2及第二凸透鏡f3的中心，最后依次經(jīng)由第六反射鏡m6反射和物鏡ol聚焦后入射至樣品臺上的樣品表面，通過調(diào)整第五反射鏡m5使激光光斑成像于ccd中，并將ccd與電腦pc相連，通過電腦pc實時監(jiān)控樣品臺的調(diào)平過程；

6、步驟二：確定原位多次改性低損耗直波導(dǎo)的加工參數(shù)，具體步驟如下：

7、首先，調(diào)整激光在樣品中的聚焦位置，使光斑聚焦在樣品表面內(nèi)部；然后利用不同的激光單脈沖能量和掃描速度直寫制備樣品；之后，對得到的樣品端面拋光至納米級的粗糙度，并分別測試不同激光單脈沖能量和掃描速度制備的波導(dǎo)傳輸損耗，得到上述不同激光單脈沖能量和掃描速度中最低直波導(dǎo)傳輸損耗的加工參數(shù)；

8、然后，利用得到的最低損耗直波導(dǎo)的加工參數(shù)分別加工不同改性次數(shù)下的直波導(dǎo)樣品，之后對得到的樣品端面拋光；

9、最后，利用光學(xué)顯微鏡對不同改性次數(shù)的波導(dǎo)端面進行表征；分別測試表征不同改性次數(shù)的直波導(dǎo)傳輸損耗和模場尺寸；根據(jù)波導(dǎo)端面的光學(xué)顯微鏡照片篩選出具有第二個明亮芯層邊界波導(dǎo)端面的改性次數(shù)；

10、步驟三：原位多次改性制備低損耗彎曲波導(dǎo)，具體包括如下步驟：

11、首先，采用新樣品重復(fù)步驟一的調(diào)平樣品臺操作；然后，利用步驟二中得到的低損耗直波導(dǎo)的加工參數(shù)，利用電腦控制三維移動平臺在x-y平面上運動，在樣品中制備出不同改性次數(shù)和彎曲半徑的90°彎曲波導(dǎo)；然后將得到的樣品端面拋光并測試其彎曲損耗。

12、進一步地，步驟一中，飛秒激光器的中心波長為1030±10nm，脈沖寬度為290fs-20ps，重復(fù)頻率為1hz-1mhz，脈沖能量為0-5μj，物鏡ol數(shù)值孔徑為0.75，放大倍數(shù)為40的空氣隙物鏡；待加工的樣品為25mm×25mm×7mm的硼鋁硅酸鹽玻璃。

13、進一步地，步驟一中，樣品臺的調(diào)平，具體步驟如下：

14、首先，調(diào)節(jié)三維移動平臺的z軸使激光光斑聚焦于樣品上表面，完成z軸的調(diào)節(jié)；使樣品臺沿三維移動平臺的x軸方向在行程范圍內(nèi)往復(fù)運動，并調(diào)節(jié)樣品所在的x軸調(diào)平旋鈕，直至ccd上激光聚焦光斑形貌無明顯變化，再調(diào)節(jié)z軸使激光光斑重新聚焦，即完成x軸的調(diào)節(jié)；同理，使y軸方向在行程范圍內(nèi)往復(fù)運動，再調(diào)節(jié)z軸使激光光斑重新聚焦，并調(diào)平y(tǒng)軸；至此，完成樣品臺的全部調(diào)平。

15、進一步地，步驟二中，調(diào)整激光在樣品中的聚焦位置于樣品內(nèi)部170μm處。

16、進一步地，步驟二中，所述激光單脈沖能量為210-290nj，掃描速度為5-50mm/s。

17、進一步地，步驟二中，原位改性次數(shù)為1-16次，波導(dǎo)傳輸損耗的測試波長為808±10nm。

18、進一步地，步驟三中，所述加工參數(shù)包括激光單脈沖能量、掃描速度和改性次數(shù)。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下：

20、（1）、本發(fā)明利用飛秒激光原位多次改性技術(shù)制備了低損耗的90°急彎波導(dǎo)，該方法簡單可靠，避免了對材料完整性的破壞或多次更換物鏡重復(fù)加工的工藝復(fù)雜，有效解決了飛秒激光在材料內(nèi)部制備低損耗彎曲波導(dǎo)工藝復(fù)雜且集成度低的問題；

21、（2）、本發(fā)明的方法極大的縮小了飛秒激光直寫90°低損耗急彎波導(dǎo)在808±10nm的彎曲半徑和彎曲損耗，將現(xiàn)有808±10nm波導(dǎo)的彎曲半徑30mm彎曲損耗3.6db/cm降低至彎曲半徑10mm彎曲損耗1.02db/cm，這有利于提高飛秒激光直寫片上三維光子芯片的集成度。

技術(shù)特征：

1.利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，其特征在于，步驟一中，飛秒激光器的中心波長為1030±10nm，脈沖寬度為290fs-20ps，重復(fù)頻率為1hz-1mhz，脈沖能量為0-5μj，物鏡ol數(shù)值孔徑為0.75，放大倍數(shù)為40的空氣隙物鏡；待加工的樣品為25mm×25mm×7mm的硼鋁硅酸鹽玻璃。

3.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，其特征在于，步驟一中，樣品臺的調(diào)平，具體步驟如下：

4.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，其特征在于，步驟二中，調(diào)整激光在樣品中的聚焦位置于樣品內(nèi)部170μm處。

5.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，其特征在于，步驟二中，所述激光單脈沖能量為210-290nj，掃描速度為5-50mm/s。

6.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，其特征在于，步驟二中，原位改性次數(shù)為1-16次，波導(dǎo)傳輸損耗的測試波長為808±10nm。

7.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，其特征在于，步驟三中，彎曲波導(dǎo)的原位改性次數(shù)為1-9次。

8.如權(quán)利要求1所述的利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，步驟三中，所述加工參數(shù)包括激光單脈沖能量、掃描速度和改性次數(shù)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了利用飛秒激光原位多次改性制備低損耗急彎波導(dǎo)的方法，屬于激光加工技術(shù)領(lǐng)域，該方法采用飛秒激光原位多次改性能精確優(yōu)化單次直寫中90o急彎波導(dǎo)存在彎曲損耗大的問題。其主要原理如下，通過控制高精度三維運動平臺使飛秒激光聚焦在材料內(nèi)部，調(diào)節(jié)飛秒激光加工能量和激光掃描速度達到單模波導(dǎo)的制備條件；再利用飛秒激光原位多次改性調(diào)控波導(dǎo)性能，制備出不同彎曲半徑的90o低損耗急彎波導(dǎo)。原位多次改性能使材料中受激光改性的材料結(jié)構(gòu)更加致密，波導(dǎo)的芯層折射率升高，有助于抑制輻射損耗；原位多次改性也可以驅(qū)動波導(dǎo)中的雜質(zhì)離子遷移至波導(dǎo)邊界，降低雜質(zhì)離子對光的散射和吸收，降低波導(dǎo)的吸收和散射損耗。該方法的制備工藝簡單，可靠性高，簡單易實現(xiàn)。

技術(shù)研發(fā)人員：田振男,肖凱恒,孫洪波,陳岐岱
受保護的技術(shù)使用者：吉林大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9