CN114966968A - 一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置和方法，装置包括成像器、运动部件、激光控制器、测量器、定位器和二氧化硅平面波导芯片；制备方法具体为：通过真空吸附二氧化硅平面芯片，利用银膜对二氧化硅平面芯片的高反射借助CCD相机辅助通过调节设备调整二氧化硅平面波导的水平度，使激光入射到波导中，激光在波导内部形成折射率调制，形成布拉格光栅，本发明提供的方法解决了在光纤上制备由于光纤的圆形结构，造成激光光斑在纵向的失真以及分裂问题，以及加工中对波导精确定位和投射式对二氧化硅平面波导成像模糊问题，该制备方法提高了工作效率，简化制备难度，实现了高效的、高稳定性以及高性能的布拉格光栅器件。

Description

一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置和方法

技术领域

本发明属于光通信器件制备技术领域，尤其涉及一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置和方法。

背景技术

近些年，移动和以云基础的虚拟业务不断增多带来了网络流量爆炸式增长，数据传输能力需要进一步提高。然而，在传统的单模光纤中，由于输入光功率有限，传输容量难以进一步扩大。波分复用器件是光纤通信系统中最有效、最成熟的实现技术之一。用布拉格光栅作为波分复用器件具有结构紧凑，易于波长调谐，低成本和优良的多路复用能力等突出优势，这将使布拉格光栅受到了广泛的关注。

传统的成熟布拉格光栅制备方法分为相位掩膜板和激光直写两种方式。而相位掩膜板制备，通常需要对光纤进行载氢处理，然后再利用激光照射在掩模板上，通过柱透镜聚焦到光纤中，从而制备特定和单一谐振波长的布拉格光栅。如中国发明专利申请：一种利用高温退火制备蓝宝石再生光栅高温传感器方法，公开号：CN112731585A，制备出布拉格光栅用于高温传感。以及深圳大学丘凯辉学术论文，线性啁啾相位掩膜板的设计以及啁啾光栅制作效率的提高，提出的掩模版制备光栅。此种方式，不仅工序繁琐，而且载氢提高光纤光敏性后制备的布拉格光栅，还需再退火处理，稳定性不足。另外，受限于掩模版，光栅在光纤中的位置不可灵活调节，且只能制备单一谐振波长的光栅，再加上掩模版的价格相对昂贵，这极大的增加了制备的成本。

激光直写制备光纤布拉格光栅，利用飞秒激光的非线性吸收效应对光纤的形成折射率调制。如深圳大学熊贤伟学术论文，飞秒激光直写高反射率中红外光纤布拉格光栅，提出的制备布拉格光栅。由于光纤的圆形结构，激光聚焦在光纤中会产生裂变和失真，因此会造成光栅质量降低，需要滴入与纤芯折射率相同的匹配液才得以改善。此外，光纤的直径为125μm，激光聚焦后随着深度的增加会增加球差，降低光栅的耦合系数，影响光栅的质量。而且，为了提高耦合系数，也可采用高数值孔径的油浸物镜，但这严重影响了加工效率，而且改善效率有限。

更为重要的是，由于光纤的圆形结构，以上两种加工方式对于光纤的固定每次都需要经过反复的重复工作，不仅影响光栅质量，效率低下，同时也造成光栅的稳定性不足。针对以上不足，需要开发一种稳定性好、高效率、高性能且成本低的加工方式。而氧化硅平面光波导通过半导体工艺制备而成，成本低、性能稳定且与光纤的耦合效率较高，但由于其芯层材料是通过化学气相沉积等方法制备，与传统石英区别较大，目前尚未有对其进行飞秒后处理加工的装置与技术工艺。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置和方法，旨在解决在制备光栅时，出现装调困难，工艺繁琐和激光聚焦出现球差等问题，可高效制备任意谐振波长、高稳定性以及高质量的布拉格光栅器件。

本发明的技术方案如下：

一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，包括成像器、运动部件、激光控制器、测量器、定位器、二氧化硅平面波导芯片、和立柱支架；

所述成像器包括监控屏和由上往下依次固定的CCD相机、镜筒组件、二向色镜安装组件和支撑架，所述监控屏电路连接所述CCD相机，所述成像器通过所述支撑架固定于所述立柱支架上；

所述运动部件包括X和Y二维平台以及Z轴平台，所述Z轴平台固定于所述立柱支架上；

所述激光控制器包括立柱支架、安装支架、物镜转盘和物镜组件，所述物镜组件光固定于所述物镜转盘上，所述物镜转盘固定于所述安装支架上，所述激光控制器通过所述安装支架固定于所述Z轴平台上；

所述定位器包括芯片支架、旋转调节件和俯仰调节件，所述芯片支架固定于所述旋转调节键上，所述旋转调节件固定于所述俯仰调节件上，所述俯仰调节件固定于所述X和Y二维平台上，所述定位器配合设有真空设备，所述真空设备通过接口和气管所述芯片支架预设的通气口连接；

所述二氧化硅平面波导芯片放置于所述芯片支架上，所述二氧化硅平面波导芯片由二氧化硅平面波导通过掩模版制备，所述二氧化硅平面波导芯片的二氧化硅平面波导与单模光纤模斑相匹配，所述测量器包括光谱仪和宽谱光源，所述二氧化硅平面波导芯片的两端光纤分别连接所述光谱仪和所述宽谱光源。

进一步地，所述二氧化硅平面波导的截面宽和高皆为6.0-7.5μm，所述二氧化硅平面波导芯片的长度、宽度和高度分别为25～30mm、2～3mm和0.5～1.5mm，所述二氧化硅平面波导芯片的两端分别与单模光纤封装并实现0.02-0.5dB的损耗，且所述二氧化硅平面波导芯片的表面与波导的表面距离为15-40μm。

进一步地，所述芯片支架为三级台阶式结构，所述芯片支架于第二台阶的平面设有多个用于增强真空吸力的气孔，所述气孔与所述通气口连通，所述二氧化硅平面波导芯片通过多个所述气孔吸附于所述芯片支架的第二台阶平面上。

进一步地，多个所述气孔于所述第二台阶平面分为两排且相互平行设置，所述二氧化硅平面波导芯片(61)放置于第二台阶平面上，所述二氧化硅平面波导位于两排气孔中间，且所述二氧化硅平面波导芯片宽度与第二台阶平面宽度一致。

进一步地，所述真空设备通过两排所述气孔对所述二氧化硅平面波导芯片的真空吸力为10-50Kpa。

进一步地，所述第二台阶平面还镀有银膜，所述银膜对可见光的反射率为80％-95％。

一种二氧化硅平面波导布拉格光栅的制备方法，具体包括如下步骤：

S1：开启真空设备，将二氧化硅平面波导芯片放置于芯片支架第二台阶表面的气孔处；

S2：开启镜筒组件中的可见光源，然后通过监控屏中查看二氧化硅平面波导芯片中波导的位置，并在监控屏上做好标记；

S3：通过调整旋转调节件和俯仰调节件，使二氧化硅平面波导芯片中的波导处于水平；

S4：将二氧化硅平面波导芯片的两端光纤分别连接仪光谱仪和宽谱光源；

S5：通过设定激光功率、电光调制器、光栅长度以及光栅周期，并通过激光在二氧化硅平面波导芯片上形成周期性的折射率调制，制备出二阶布拉格光栅或三阶布拉格光栅。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明采用激光在二氧化硅平面芯片制备布拉格光栅，二氧化硅平面芯片的波导与单模光纤模斑匹配，能实现与单模光纤的低损耗耦合；二氧化硅平面结构不仅降低激光聚焦后的失真度，同时提高了光栅的耦合系数和光栅反射率，改善光栅的质量。

2、本发明采用真空吸附二氧化硅平面芯片，不仅方便、快捷定位且对芯片无损伤，再调整二氧化硅平面水平度后，可极大降低后续加工二氧化硅平面波导的流程以及调整复杂度。

3、本发明激光制备二氧化硅平面布拉格光栅，无需预处理和后处理，仅需调节激光参数和光栅周期，就能制备任意谐振波长的二阶和三阶布拉格光栅，材料利用率高，工艺简单，性能稳定，高效经济。

附图说明

图1为本发明的激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置和方法的总体装置图；

图2为本发明的成像器和激光控制器的光路图；

图3为本发明的芯片支架的结构示意图；

图4为本发明的二氧化硅平面波导的有效折射率；

图5为本发明的单模光纤的有效折射率；

图6为本发明激光在二氧化硅平面波导中制备布拉格光栅的示意图。

附图标记说明：11、支撑架；12、二向色镜安装组件；13、镜筒组件；14、CCD相机；15、监控屏；21、X和Y二维平台；22、Z轴平台；31、安装支架；32、物镜转盘；33、物镜组件；41、光谱仪；42、宽谱光源；51、芯片支架；52、旋转调节件；53、俯仰调节件；54、真空设备；61、二氧化硅平面波导芯片；71、立柱支架。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置和方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

实施例1：

一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置包括成像器、运动部件、激光控制器、测量器、定位器、二氧化硅平面波导芯片和立柱支架7构成。成像器设有支撑架(11)、二向色镜安装组件(12)、镜筒组件(13)、CCD相机(14)和监控屏(15)。运动部件设有X和Y二维平台(21)和Z轴平台(22)。激光控制器设有安装支架(31)、物镜转盘(32)和物镜组件(33)。测量器设有光谱仪(41)和宽谱光源(42)。定位器设有芯片支架(51)、旋转调节件(52)和俯仰调节件(53)，且定位器配备有真空设备(54)。

安装方式如图1所示，成像器整体由支撑架(11)安装在立柱支架(71)上，二向色镜安装组件(12)固定在支撑架(11)上，镜筒组件(13)和CCD相机(14)安装后固定在其上，监控屏通过电线电路连接CCD相机，整个成像器安装完成能实现对物体的0.1～10倍的显示。成像的光路如图2所示，同轴光源经A1→A2→A3→A4到达二氧化硅平面芯片，然后再经B1→B2→B3→B4到达CCD相机。

激光控制器由安装支架(31)安装在立柱支架7上，同时物镜转盘(32)、固定在安装支架(31)上，物镜转盘可以集成5种不同数值孔径的物镜。另外，整个装置安装在运动控制装置上的Z轴平台(22)，不仅可以实现灵活调节焦点的位置，还可以与X和Y二维平台(21)集成实现三维的运动。激光控制装置的光路经二向色镜，穿过物镜，聚焦到二氧化硅平面芯片内部波导上，具体路线为：C1→C2→C3，激光可对波导任意位置实现折射率调制。

成像光路与激光控制装置的光路高度准直，将在监控屏(15)上实时观测激光聚焦在波导的位置。

定位器的芯片支架(51)的通气口通过接头和气管与真空设备(54)设置相连，再安装在旋转调节件(52)上，整体再安装在俯仰调节件(53)上。

本实施例中，如图3所示，芯片支架(51)设有三级台阶式结构，第二台阶高度与二氧化硅平面波导芯片(61)高度相当，第二台阶平面设有两排平行气孔，通气口与之垂直分布，真空吸力达到10～50KPa。另外，在第二台阶处镀有银膜，其对可见光的反射率达到80％～95％，可以增强A4光的反射。两排气孔增强真空设备的真空吸力，而波导位于两排气孔的中心位置，不影响成像，将波导清晰显示在监控屏(15)中。

本实施例中，二氧化硅平面芯片是由掩膜版制备的矩形波导，波导尺寸为6.5×6.5μm的截面结构，偏振无关，波导的有效折射率为1.447，如图4所示。如图5所示，单模光纤的有效折射率为1.4652，两者相差仅为0.02，模斑匹配能实现低损耗的连接，本实施例中的损耗为0.2dB。另外，波导距离表面的距离为15-40μm，本发明设置其距离为20μm，将最小化激光在二氧化硅介质中的像差，有效改善激光在波导上形成折射率调制的耦合效率。

本实施例中，激光制备二氧化硅平面布拉格光栅的具体步骤为：

(S1)先开启真空设备(54)，此时在芯片支架的第二台阶处具有一定的吸力，通过台阶处的结构将二氧化硅平面波导芯片(61)紧密贴合，通过吸力的方式不仅定位方便且不会对芯片造成任何损伤；

(S2)开启镜筒组件(13)中的可见光源，然后在监控屏(15)中查看二氧化硅平面波导芯片(61)中波导的位置。由于芯片支架的银模使得光反射到CCD中，调节Z轴平台的位置对二氧化硅平面中波导进行聚焦成像，并在监控屏(15)上做好标记点；

(S3)设定X轴的移动光栅长度的距离，在移动过程中查看波导的聚焦上下聚焦位置。当波导到达指定位置时，调整俯仰调节件(53)对二氧化硅平面波导进行聚焦显示；同时，调整旋转调节件(52)将波导旋转到刚才的标记点位置。此时再将两者的焦点位置距离相减获得的平均值的一半则为起始点的焦点位置。而旋转位置则根据调整的旋转角度控制在X方向的波导水平，将两者结合调整，使得波导在光栅长度距离范围内达到水平。

(S4)将二氧化硅平面波导芯片(61)的两端光纤分别连接仪光谱仪(41)和宽谱光源(42)；

(S5)设定激光功率、电光调制器、光栅长度以及光栅周期，通过激光在二氧化硅平面波导芯片(61)上形成周期性的折射率调制，可制备出二阶或三阶布拉格光栅，同时在光谱仪上实时监控光栅的透射光谱。

本实施例中，激光在二氧化硅平面上制备光栅的示意图如图6所示。λ_B＝2n_effΛ/m，其中λB为布拉格谐振峰，neff为波导有效折射率，Λ为光栅周期，m为光栅阶数。物镜使用的是20X(NA0.42)时，根据波导有效折射率为1.447，光栅周期为1.607um，长度为1.5mm，激光能量为195nJ。可制备出三阶布拉格光栅，谐振波长为1550nm，反射率达到90％，耦合系数达到1120m-1。而芯片支架以及整个机构的稳定性，第二次加工时，仅需要小范围调节就可以实现波导位置的精确定位。光栅的长度仅需要1.5mm就能实现高反射率的布拉格光栅，整个过程简单，便捷，同时能高效的制备高稳定性，高性能的布拉格光栅。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，其特征在于，包括成像器、运动部件、激光控制器、测量器、定位器、二氧化硅平面波导芯片、和立柱支架(71)；

所述成像器包括监控屏(15)和由上往下依次固定的CCD相机(14)、镜筒组件(13)、二向色镜安装组件(12)和支撑架(11)，所述监控屏(15)电路连接所述CCD相机(14)，所述成像器通过所述支撑架(11)固定于所述立柱支架(71)上；

所述运动部件包括X和Y二维平台(21)以及Z轴平台(22)，所述Z轴平台(22)固定于所述立柱支架(71)上；

所述激光控制器包括安装支架(31)、物镜转盘(32)和物镜组件(33)，所述物镜组件(33)固定于所述物镜转盘(32)上，所述物镜转盘(32)固定于所述安装支架(31)上，所述激光控制器通过所述安装支架(31)固定于所述Z轴平台(22)上；

所述定位器包括芯片支架(51)、旋转调节件(52)和俯仰调节件(53)，所述芯片支架(51)固定于所述旋转调节件(52)上，所述旋转调节件(52)固定于所述俯仰调节件(53)上，所述俯仰调节件(53)固定于所述X和Y二维平台(21)上，所述定位器配合设有真空设备(54)，所述真空设备(54)通过接口和气管与所述芯片支架(51)预设的通气口连接；

所述二氧化硅平面波导芯片(61)放置于所述芯片支架(51)上，所述二氧化硅平面波导芯片(61)由二氧化硅平面波导通过掩模版制备，所述二氧化硅平面波导芯片(61)的二氧化硅平面波导与单模光纤模斑相匹配，所述测量器包括光谱仪(41)和宽谱光源(42)，所述二氧化硅平面波导芯片(61)的两端光纤分别连接所述光谱仪(41)和所述宽谱光源(42)。

2.根据权利要求1所述的激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，其特征在于，所述二氧化硅平面波导的截面宽和高皆为6.0-7.5μm，所述二氧化硅平面波导芯片(61)的长度、宽度和高度分别为25～30mm、2～3mm和0.5～1.5mm，所述二氧化硅平面波导芯片(61)的两端分别与单模光纤封装并实现0.02-0.5dB的损耗，且所述二氧化硅平面波导的包层厚度为15-40μm。

3.根据权利要求1所述的激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，其特征在于，所述芯片支架(51)为三级台阶式结构，所述芯片支架(51)于第二台阶的平面设有多个用于增强真空吸力的气孔，所述气孔与所述通气口连通，所述二氧化硅平面波导芯片(61)通过多个所述气孔吸附于所述芯片支架(51)的第二台阶平面上。

4.根据权利要求3所述的激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，其特征在于，多个所述气孔于所述第二台阶平面分为两排且相互平行设置，所述二氧化硅平面波导芯片(61)放置于第二台阶平面上，所述二氧化硅平面波导位于两排气孔中间，且所述二氧化硅平面波导芯片宽度与第二台阶平面宽度一致。

5.根据权利要求4所述的激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，其特征在于，所述真空设备(54)通过两排所述气孔对所述二氧化硅平面波导芯片(61)的真空吸力为10-50Kpa。

6.根据权利要求3所述的激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，其特征在于，所述第二台阶平面还镀有银膜，所述银膜对可见光的反射率为80％-95％。

7.一种二氧化硅平面波导布拉格光栅的制备方法，使用如权利要求1-6中任意一项所述激光制备二氧化硅平面波导布拉格光栅的装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1：开启真空设备(54)，将二氧化硅平面波导芯片(61)放置于芯片支架()第二台阶表面的气孔处；

S2：开启镜筒组件(13)中的可见光源，然后通过监控屏(15)中查看二氧化硅平面波导芯片(61)中二氧化硅平面波导的位置，并在监控屏(15)上做好标记；

S3：通过调整旋转调节件(52)和俯仰调节件(53)，使二氧化硅平面波导芯片(61)中的二氧化硅平面波导处于水平；

S4：将二氧化硅平面波导芯片(61)的两端光纤分别连接光谱仪(41)和宽谱光源(42)；

S5：通过设定激光功率、电光调制器、光栅长度以及光栅周期，并通过激光在二氧化硅平面波导芯片(61)上形成周期性的折射率调制，制备出二阶布拉格光栅或三阶布拉格光栅。

Images