一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法

本申请涉及激光加工领域，尤其涉及一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法。

背景技术：

1、在激光光学和通信光学的的应用中，无论是在自由空间还是在光纤中控制光的模式都尤其重要，同时，这些应用对模式转换效率和模式纯度都提出了很高的要求。近年来，集成光子学的飞速发展对三维集成光子器件的制造提出了更高的要求。与纳米压印、光刻、高能离子束等传统的制造技术相比，飞秒激光直写技术在各种透明材料(玻璃、晶体、聚合物等)中的三维制造领域具有不可替代的前景。然而，目前为止，在高重复频率的激光脉冲的作用下，飞秒激光在透明材料内部仍然存在热累积和热扩散效应，在高空间分辨率下设计波导截面的尺寸、形貌和折射率分布仍然难以实现，这给模式控制带来了极大的困难。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本申请实施例结合飞秒激光加工精度高、灵活性强等特点，提供一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法。

2、本申请提供一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法，所述三维定向耦合器包括基模波导和高阶模式波导，该方法包括：

3、(1)选定玻璃样品，进行所述高阶模式波导的截面设计，根据设计的截面和所述玻璃样品的损伤阈值规划构成所述高阶模式波导的若干轨迹；

4、(2)根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，进而确定所述高阶模式波导的尺寸以及所述三维定向耦合器的耦合间距和耦合长度；

5、(3)对所述玻璃样品进行清洁，将清洁好的玻璃样品进行固定和调平，进行激光直写光路的校准；

6、(4)利用校准后的激光直写光路，根据所述基模波导的尺寸和轨迹排布、所述高阶模式波导的尺寸和轨迹排布、耦合间距和耦合长度，制造三维定向耦合器。

7、进一步地，所述基模波导为曲线波导，所述高阶模式波导为直线波导或曲线波导，其中曲线波导由至少三段直线波导和至少两段s型波导构成，s型波导的弯曲半径为1-200mm，所述基模波导和高阶模式波导均由若干条亚微米、正折射率变化的轨迹构成。

8、进一步地，所述玻璃样品选自石英玻璃和硅酸盐玻璃。

9、进一步地，进行所述高阶模式波导的截面设计，具体为：

10、根据选定的高阶模式的模场分布设计所述高阶模式波导的界面，其中，高阶模式选自厄米-高斯模式拉盖尔-高斯和ince-高斯模式的所有高阶模式。

11、进一步地，单条所述轨迹的激光直写功率低于所述玻璃样品的损伤阈值。

12、进一步地，步骤(2)包括：

13、(2.1)根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的尺寸和轨迹排布，计算所述基模波导的等效折射率；

14、(2.2)将所述高阶模式波导的尺寸做参数化扫描，计算不同尺寸高阶模式波导的等效折射率，通过与所述基模波导的等效折射率进行匹配，得到对应的高阶模式波导的尺寸；

15、(2.3)根据波导模式耦合方程确定耦合间距和耦合距离。

16、进一步地，步骤(2.1)包括：

17、根据与所述基模波导对接的光纤的数值孔径，确定所述基模波导的直径和轨迹分布；

18、根据基模波导的轨迹重叠度，确定所述基模波导的折射率分布；

19、根据所述基模波导的折射率分布和直径，通过模式计算确定所述基模波导的等效折射率。

20、进一步地，步骤(2.2)包括：

21、通过数值计算遍历所述高阶模式波导的尺寸，计算不同尺寸高阶模式波导的等效折射率，寻找与基模波导具有相同等效折射率的高阶模式波导的尺寸。

22、进一步地，所述耦合间距的范围限制为0-100μm，所述耦合长度的范围限制在0-50mm。

23、进一步地，所述激光直写光路包括高重复频率飞秒激光器、高精度三维移动平台、光束传输系统和聚焦系统，所述高重复频率飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲通过所述光束传输系统传输至所述聚焦系统，从而将所述飞秒激光脉冲聚焦到玻璃样品内部实现激光直写，通过所述高精度三维移动平台进行移动，实现轨迹的直写。

24、本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

25、(1)与传统的纳米压印、光刻、离子注入等加工手段相比，本发明基于飞秒激光直写波导，加工工艺简单、高效，且能够实现三维结构波导的加工。

26、(2)与通用的飞秒激光直写波导相比，本发明克服了激光直写波导折射率分布不均，模场难以控制的缺点。利用飞秒激光在玻璃材料中直写出多条亚微米、正折射率变化的轨迹，通过控制不同轨迹之间在三维空间的排布，基模和高阶模式波导的精密制造。

27、(3)与通用的飞秒激光直写波导相比，本发明通过控制基模波导和高阶模波导的尺寸、折射率分布，实现基模波导和高阶模波导的高效匹配，通过控制基模波导和高阶模波导的尺寸、耦合间距和耦合长度，在宽带范围(1500-1610nm)内实现基模到任意空间朝向的高阶模之间的转换，从而在玻璃材料当中，实现宽带、高耦合效率的三维定向耦合器的制造。

28、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。

技术特征：

1.一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法，其特征在于，所述三维定向耦合器包括基模波导和高阶模式波导，该方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基模波导为曲线波导，所述高阶模式波导为直线波导或曲线波导，其中曲线波导由至少三段直线波导和至少两段s型波导构成，s型波导的弯曲半径为1-200mm，所述基模波导和高阶模式波导均由若干条亚微米、正折射率变化的轨迹构成。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃样品选自石英玻璃和硅酸盐玻璃。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行所述高阶模式波导的截面设计，具体为：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，单条所述轨迹的激光直写功率低于所述玻璃样品的损伤阈值。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2.1)包括：

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2.2)包括：

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述耦合间距的范围限制为0-100μm，所述耦合长度的范围限制在0-50mm。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光直写光路包括高重复频率飞秒激光器、高精度三维移动平台、光束传输系统和聚焦系统，所述高重复频率飞秒激光器发出的飞秒激光脉冲通过所述光束传输系统传输至所述聚焦系统，从而将所述飞秒激光脉冲聚焦到玻璃样品内部实现激光直写，通过所述高精度三维移动平台进行移动，实现轨迹的直写。

技术总结
本发明公开了一种基于飞秒激光直写技术的三维定向耦合器制造方法，包括：选定玻璃样品，进行高阶模式波导的截面设计，根据设计的截面和玻璃样品的损伤阈值规划构成高阶模式波导的若干轨迹；根据与波导对接的光纤的数值孔径，确定基模波导的尺寸和轨迹排布，进而确定高阶模式波导的尺寸以及耦合间距和耦合长度；对玻璃样品进行清洁，将清洁好的玻璃样品进行固定和调平，进行激光直写光路的校准；利用校准后的激光直写光路，根据基模波导、高阶模式波导的尺寸和轨迹排布、耦合间距和耦合长度，制造三维定向耦合器。在宽带范围内实现基模到任意空间朝向的高阶模之间的转换，从而在玻璃材料当中，实现宽带、高耦合效率的三维定向耦合器的制造。

技术研发人员：邱建荣,王宇莹,钟理京,陈智,马志军
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15