CN117381146B - 一种基于硫系材料的激光加工方法及集成光子器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于硫系材料的激光加工方法及集成光子器件，涉及集成光子芯片加工技术领域。该基于硫系材料的激光加工方法包括：获取预设尺寸的介质基底，并清洗所述介质基底；在所述介质基底的表面制备均匀致密的硫化物薄膜；根据预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑；根据所述预设加工图案生成激光光斑扫描参数；通过所述激光光斑依据所述光斑扫描参数对所述硫化物薄膜进行无刻蚀激光氧化加工，获得硫系集成光子器件。该基于硫系材料的激光加工方法可以实现显著简化集成光子芯片加工流程，提高光子芯片加工效率的技术效果。

Description

一种基于硫系材料的激光加工方法及集成光子器件

技术领域

本发明涉及集成光子芯片加工技术领域，更具体地，涉及一种基于硫系材料的激光加工方法及集成光子器件。

背景技术

目前，在集成光子芯片制造领域，光激励光学材料微尺度介电调控技术方案主要有三类：基于光刻的半导体微纳加工技术、基于飞秒激光改性的介电调控技术和基于光刻胶的三维打印技术。

基于光刻的半导体微纳加工技术对于光刻工艺成熟的硅基光子集成器件而言，利用工业化标准生产，可以实现大规模、低成本制造，是目前光子集成芯片加工的主流方案；但是，基于光刻的半导体微纳加工技术硬件门槛高，微纳加工设备昂贵且不易购置，综合设备运行与维护需求，导致这类微纳加工综合成本不低；且加工工艺繁复，通常标准刻蚀工艺包括5至6个步骤，无法单次加工成型。

基于飞秒激光改性的介电调控技术利用飞秒激光照射透明材料内部，利用飞秒激光超短脉冲时间、超强峰值能量的特性，引发材料对入射激光的多光子非线性吸收，发生电离，使得聚焦照射区域的材料改性、折射率发生变化，通过控制材料改性区域，从而加工光波导、光开关等光学器件；但是，基于飞秒激光改性的介电调控技术需要使用昂贵的飞秒激光器作为加工光源，加工成本较高；且加工精细度不够，该加工方式需要使用高能量的飞秒脉冲激光轰击材料，对其进行融化或气化蒸发，经此形成的改性区域通常界面相对粗糙。此外，飞秒激光改性对材料介电调控深度有限，通常情况下，飞秒激光对透明材料改性后，其折射率变化仅有10^-3量级，如此小的折射率差异，仅仅能够满足光波导、光开关等器件的要求。

基于光刻胶的三维打印技术利用光刻胶的双光子吸收效应，将飞秒激光脉冲汇聚后照射光刻胶内部，选择性地硬化光刻胶不同区域，硬化现象只发生在激光光线聚焦的三维区域内，然后将所有未硬化的材料去除，露出建造好的三维结构。但是，基于光刻胶的三维打印技术硬件门槛高，需要使用飞秒激光器作为加工光源，成本较高；且加工步骤繁琐，与半导体微纳加工技术类似，基于光刻胶的三维打印技术需要在加工完成后去除多余的光刻胶，同样需要进行显影去胶的步骤，无法单次加工直接成型。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种基于硫系材料的激光加工方法及集成光子器件，显著简化了集成光子芯片加工流程，提高光子芯片加工效率的技术效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

第一方面，本申请提供了一种基于硫系材料的激光加工方法，包括以下步骤：

获取预设尺寸的介质基底，并清洗所述介质基底；

在所述介质基底的表面制备均匀致密的硫化物薄膜；

根据预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑；

根据所述预设加工图案生成激光光斑扫描参数；

通过所述激光光斑依据所述光斑扫描参数对所述硫化物薄膜进行无刻蚀激光氧化加工，获得硫系集成光子器件。

在上述实现过程中，该基于硫系材料的激光加工方法通过预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑，并根据预设加工图案设计激光光斑的扫描方式，进而对硫化物薄膜进行无刻蚀激光氧化加工，实现微观尺度对硫系材料的光致定向氧化，并精确调控硫化物薄膜的氧化程度，从而改变硫化物薄膜的介电常数；从而，基于光致氧化的单次成型微尺度图案（预设加工图案），通过将聚焦的激光光斑直射在连续平滑的硫化物薄膜表面，一次制成任意所需形状的微尺度氧化区域图形；该方法无需光刻胶或其他形式掩膜版，无需刻蚀，在硫系材料薄膜表面直接加工，单次成型，加工工艺简单；因此，该基于硫系材料的激光加工方法可以简化集成光子芯片加工流程，实现提高加工效率的技术效果。

进一步地，所述硫化物薄膜的硫化物材料在目标波段内的消光系数大于等于0.05，且所述硫化物材料为硫化锑、锗碲硫、锗锑碲、锗砷硫、锗碲硒中的一种或多种，所述目标波段为可见光波段、短波红外波段、中波红外波段、长波红外波段中的一种。

进一步地，所述激光光斑的激光光源为连续激光器，所述连续激光器的波长为所述硫化物材料消光系数大于等于0.05的任一波长中选择。

进一步地，所述硫化物薄膜的加工区域在所述激光光斑的辐照下升温，所述加工区域受热与加工环境中的氧离子发生反应并发生氧化，所述加工环境包括空气、氧气、水和氧离子溶液中的一种或多种；所述硫化物薄膜的辐照区域氧化前的第一材料折射率和氧化后的第二材料折射率不同，工作波段内所述第一材料折射率和所述第二材料折射率的差值不小于0.1。

进一步地，所述预设加工图案通过改变所述激光光斑的能量分布、改变所述激光光斑的扫描方式获得。

进一步地，所述激光光斑加工区域材料的氧化程度可以通过调节所述光斑能量、辐照时间及扫描方式实现多段调控。

进一步地，所述硫化物薄膜的加工区域在激光加工前的第一薄膜厚度和激光加工后的第二薄膜厚度仅存在微小差异，所述第二薄膜厚度与所述第一薄膜厚度的比值在0.8至1.2之间。

进一步地，所述预设加工图案包括圆形、椭圆形、长方形、十字形、圆环、椭圆环、方环、负十字图形、圆形阵列、椭圆形阵列、长方形阵列、十字形阵列、圆环阵列、椭圆环阵列、方环阵列、负十字图形阵列中的一种或多种。

进一步地，若所选硫化物薄膜的硫系材料同时具备相变特性，则所述激光氧化加工的集成光子器件具有光学响应可编程、非易失的特性，所述相变材料包括硫化锑、硒化锑中的一种或多种。

第二方面，本申请提供了一种集成光子器件，所述集成光子器件通过以上所述的基于硫系材料的激光加工方法制备，所述集成光子器件制备过程无需引入额外有掩膜或无掩模曝光及刻蚀步骤。

进一步地，所述集成光子器件可以应用于空间光场调控、片上光信号传输、片上光信号处理等多个领域。

进一步地，所述空间光场调控效果包括但不限于光场振幅调控、光场相位调控、光场偏振调控、反射光场聚焦以及反射OAM涡旋光束产生等。

进一步地，所述片上光信号传输效果包括但不限于片上波导、片上马赫-曾德尔型干涉仪、波导分光器、偏振分束器等。

进一步地，当所述硫系化合物材料具备相变特性，可以通过外部光、电、热等激励信号控制材料相态时，所述平面硫系集成光子器件具有光学响应非易失、可编程的特性。

进一步地，所述相变硫系材料包括但不限于硫化锑、锗锑碲等。

进一步地，所述光学响应动态调控效果包括但不限于空间光开关、切换式菲涅尔透镜、集成波导移相器、可调马赫-曾德尔干涉型光开关、可调分光比波导分束光开关等。

第三方面，本申请提供了一种基于硫系材料的激光加工装置，应用于第一方面任一项所述的基于硫系材料的激光加工方法，所述装置包括加工光源、光束调控系统、汇聚系统、样品固定系统和白光观测系统；

所述加工光源用于输出激光光束；

所述光束调控系统设置于所述加工光源的出口端，用于将所述激光光束调控为预设能量分布图案的激光光斑；

所述汇聚系统设置于所述光束调控系统的出口端，用于汇聚所述激光光斑并将所述激光光斑成像至待加工样品的表面；

所述样品固定系统设置于所述汇聚系统的出口端，用于固定所述待加工样品；

所述白光观测系统设置于所述光束调控系统和所述汇聚系统之间，用于观测所述待加工样品的加工区域形貌。

进一步地，所述样品固定系统包括依次层叠设置的三轴位移台、俯仰调节台与旋转调节台，所述三轴位移台用于控制所述待加工样品的加工位置，所述俯仰调节台用于调节所述待加工样品的俯仰角度，所述旋转调节台调节所述待加工样品的旋转角度；

所述基于硫系材料的激光加工装置还包括电动功率衰减器和高速光开关，所述电动功率衰减器与所述加工光源连接，用于调控激光光束的激光功率；所述高速光开关与所述加工光源连接，用于调控光束通断；

所述白光观测系统还包括分束片，所述分束片设置于所述光束调控系统和所述汇聚系统之间，所述分束片用于将准直平行的白光光束与所述激光光束合束，通过所述白光光束照射所述待加工样品的加工区域，所述待加工样品的白光反射光束经由所述分束片照射至所述白光观测系统。

本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例1提供的一种基于硫系材料的激光加工方法的流程示意图。

图2为本申请实施例2提供的另一种基于硫系材料的激光加工方法的流程示意图。

图3为本申请实施例3提供的一种硫系材料激光氧化加工装置的结构示意图。

图4为本申请实施例4提供的一种无刻蚀激光氧化加工的平面硫系集成光子器件结构示意图。

图5为本申请实施例5提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基线偏振片结构示意图。

图6为本申请实施例5提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基线偏振片反射谱示意图。

图7为本申请实施例6提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面菲涅尔波带片结构示意图。

图8为本申请实施例6提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面菲涅尔波带片光强分布示意图。

图9为本申请实施例7提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面一阶OAM相位片结构示意图。

图10为本申请实施例7提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面一阶OAM相位片反射远场光强分布示意图。

图11为本申请实施例8提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导结构示意图。

图12为本申请实施例8提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导模式等效折射率动态调控效果示意图。

图13为本申请实施例9提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导型相变光学移相器结构示意图。

图14为本申请实施例9提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导型相变光学移相器动态相位调控效果示意图。

图15为本申请实施例10提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导型马赫-曾德尔干涉型光开关结构示意图。

图16为本申请实施例10提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导型马赫-曾德尔干涉型光开关器件动态调控效果示意图。

图17为本申请实施例11提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面可调分光比片上分束光开关结构示意图。

图18为本申请实施例11提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面可调分光比片上分束光开关的动态调控效果示意图。

图19为本申请实施例11提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面可调分光比片上分束光开关的动态偏振分束调控效果示意图。

附图标记：1、硅衬底；2、金反射层；3、氧化铝；4、硫化锑；5、氧化锑；6、平面结构阵列；7、氧化硅衬底；8、波导；9、氧化硅缓冲层；10、石墨烯热板；11、金属N电极；12、金属P电极；13、输入端P1；14、输出端P2；15、直波导；151、第一输出直波导；152、第二输出直波导；16、分束波导；17、合束波导；18、倏逝耦合波导；100、加工光源；200、光束调控系统；300、汇聚系统；400、样品固定系统；500、白光观测系统；600、待加工样品；700、分束片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。下面结合具体实施方式对本发明作在其中一个实施例中说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。

实施例1：

本申请实施例提供了一种基于硫系材料的激光加工方法及集成光子期间，可应用于加工硫系集成光子芯片；该基于硫系材料的激光加工方法为无刻蚀激光加工方法，通过预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑，并基于激光光斑对硫化物薄膜进行无刻蚀激光氧化加工，实现在微尺度精确调控硫化物薄膜表面的氧化程度，从而改变硫化物薄膜的介电常数，具有非易失、一次加工成型的特性；从而，该激光加工方法可以实现提高加工效率的技术效果。

示例性地，非易失介电可调是指通过外部激光照射的激励手段，光学材料的介电常数随之发生显著变化，且当激励信号撤销时，材料继续保持激励后当前的介电特性。一次加工成型，是基于无刻蚀激光加工的单次成型微尺度图案（预设加工图案），氧化加工是指结合光束整形技术，通过将聚焦激光光斑直射在连续平滑的硫化物薄膜表面，一次制成任意所需形状的微尺度氧化区域图形。

示例性地，本申请实施例提供的基于硫系材料的激光加工方法，不需要使用光刻胶和掩膜版，加工工艺简单，单次成型。对比传统微纳结构器件加工技术，在基于光刻胶和掩膜版的EBL刻蚀、ICP刻蚀或湿法刻蚀等技术中，其流程包括：制备掩膜版、旋涂光刻胶、曝光、显影、薄膜沉积（或蚀刻）和去胶等。而在无需掩膜版的FIB刻蚀和基于DMD的无掩膜光刻技术中，也通常需要经历除制备光掩膜版以外的其他标准刻蚀流程。

示例性地，氧化硫化物薄膜的介电调控原理为：当硫化物薄膜材料（以硫化锑Sb₂S₃为例）受热达到空气中的燃点时（通常为290℃至340℃），容易与空气中的氧气发生化学反应，产生三氧化二锑和二氧化硫。其化学反应方程式为：

；

在700nm至1700nm的近红外波段，与硫化锑相比，三氧化二锑的折射率显著变小，两者折射率差异约为1。同时，在该波段，由于三氧化二锑的消光系数小于0.04，是一种良好的近红外波段低吸收透明材料。基于此，本申请实施例通过激光照射到硫化锑表面，使照射区域的硫化锑通过吸收光能实现自身加热，然后氧化生成三氧化二锑。由于受热氧化生成的晶态三氧化二锑晶格为空间结构更为稳定的立方体，因此，可以在硫化锑薄膜表面实现介电特性与硫化锑迥异的均匀氧化区域。另一方面，照射区域的介电常数满足：

其中，、/>和/>分别为照射区域等效介电常数、三氧化二锑介电常数和非晶态硫化锑折射率。/>为照射区域氧化比例，通过控制激光功率来调节照射区域硫化锑的温度，可以调控硫化锑的氧化程度。此时，实现照射区域介电常数在非晶态硫化锑和三氧化二锑之间连续调控。

实施例1

请参见图1，图1为本申请实施例提供的一种基于硫系材料的激光加工方法的流程示意图，加工方法包括如下步骤：

S100：获取预设尺寸的介质基底，并清洗介质基底。

在一些实施方式中，选取符合设计尺寸要求的介质基底并清洗介质基底的表面、背面，从而去除介质基底附着的灰尘颗粒、有机和无机杂质。

在一些实施方式中，介质基底的清洗流程为：将介质基底在丙酮溶液中超声清洗15分钟、将介质基底在异丙醇溶液中超声清洗15分钟、将介质基底在超纯水溶液中超声清洗15分钟；用高纯氩气枪吹干介质基底的表面和背面，在加热板上持续加热5分钟，得到干净的介质基底。可选地，根据具体实验需求，可以在介质基底的表面增加其他的薄膜材料，比如金、氧化铝、氧化硅等，这样就得到了硫化物镀膜所需要的衬底材料。

S200：在介质基底的表面制备均匀致密的硫化物薄膜。

示例性地，可以利用磁控溅射方法或热蒸镀方法在介质基底（衬底材料）的表面制备均匀致密的硫化物薄膜。

S300：根据预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑。

示例性地，根据预设加工图案的形状和分辨率参数要求，确定加工写场单元大小、数目和每个单元内的介电调控要求，并根据要求设置加工控制程序参数，获得预设能量分布图案的激光光斑。

S400：根据预设加工图案生成激光光斑扫描参数；

S500：通过激光光斑依据光斑扫描参数对硫化物薄膜进行无刻蚀激光氧化加工，获得硫系集成光子器件。

示例性地，等待加工系统完成对硫化物薄膜的所有像素区域内的氧化加工操作，完成对硫化物薄膜的加工，最后取下硫化物薄膜即可。

在一些实施方式中，该无刻蚀激光加工方法通过预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑，并基于激光光斑对硫化物薄膜进行无刻蚀激光加工，实现在微尺度精确调控硫化物薄膜表面的氧化程度，从而改变硫化物薄膜的介电常数，具有非易失、一次加工成型的特性；从而，该无刻蚀激光加工方法可以实现提高加工效率的技术效果。

实施例2

请参见图2，图2为本申请实施例提供的另一种基于硫系材料的激光加工方法的流程示意图。包括以下步骤：

S100：获取预设尺寸的介质基底，并清洗介质基底。

S210：通过磁控溅射或热蒸镀在介质基底的表面制备均匀致密的硫化物薄膜。

S310：将硫化物薄膜固定至无刻蚀激光加工装置的样品固定系统。

S320：根据预设加工图案调控无刻蚀激光加工装置，获得预设能量分布图案的激光光斑。

S400：根据预设加工图案生成激光光斑扫描参数。

S510：根据预设加工图案的总尺寸、写场单元尺寸和写场总数目，设定无刻蚀激光加工装置的加工参数；

S520：根据预设加工图案中写场单元的介电调控参数，同步调整激光加工装置，调控激光光斑；

S530：通过无刻蚀激光加工装置的加工参数和激光光斑对硫化物薄膜进行无刻蚀激光加工。

在本实施例中，与实施例1不同的是，对于S500：通过激光光斑依据光斑扫描参数对硫化物薄膜进行无刻蚀激光氧化加工，获得硫系集成光子器件的步骤，包括：

S510：根据预设加工图案的总尺寸、写场单元尺寸和写场总数目，设定无刻蚀激光加工装置的加工参数；

S520：根据预设加工图案中写场单元的介电调控参数，同步调整激光加工装置，调控激光光斑；

S530：通过无刻蚀激光加工装置的加工参数和激光光斑对硫化物薄膜进行无刻蚀激光加工。

示例性地，设定好所有参数之后，运行加工控制程序，系统根据设定好的加工参数自动实时动态调控可见光的能量空间分布、照射功率，以及硫化物薄膜的移动情况。在系统运行过程中，加工参数设定硫化物薄膜的移动，使照射的激光光斑依次移动到硫化物薄膜的写场区域内。

示例性地，S530：通过无刻蚀激光加工装置的加工参数和激光光斑对硫化物薄膜进行无刻蚀激光加工的步骤，包括：

激光光斑的连续激光照射到硫化物薄膜的表面，硫化物薄膜的照射区域内的硫化物升温至270℃~340℃，且硫化物与空气中的氧气发生化学反应，在硫化物薄膜的照射区域内形成氧化物，并向空气中释放二氧化硫；其中，硫化物薄膜的折射率变化幅度超过0.1。

示例性地，连续激光照射到待加工的硫化物薄膜表面，照射区域内的硫化物在百纳秒时间内迅速升温至270℃到340℃之间后，与空气中的氧气发生化学反应，在薄膜照射区域内形成氧化锑，并向空气中释放二氧化硫；照射区域内氧化物的占比（激光氧化程度）受位移台移动速率和激光照射功率影响，从而实现照射区域薄膜折射率不同幅度的调低。在C波段，通过减慢位移台移动速率或增大激光照射功率、可实现折射率最大降幅0.3至0.7。

在本实施例中，与实施例1不同的是，对于S300：根据预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑的步骤，包括：

S310：将硫化物薄膜固定至无刻蚀激光加工装置的样品固定系统；

S320：根据预设加工图案调控无刻蚀激光加工装置，获得预设能量分布图案的激光光斑。

在本实施例中，与实施例1不同的是，对于S200：在介质基底的表面制备均匀致密的硫化物薄膜的步骤，包括：

S210：通过磁控溅射或热蒸镀在介质基底的表面制备均匀致密的硫化物薄膜。

在一些实施方式中，磁控溅射方法制备硫化物薄膜的步骤示例如下：将硫化物靶材固定在阴极上。将准备完成的衬底材料置于正对靶面的阳极上。当真空度达到5x10^-4Pa时，通氩气，气流稳定后打开离子源，从监控程序中调出工艺设置文件，启动开始清洗。清洗完成后，关闭离子源，调节直流或射频电源到所需功率，启动镀膜至溅射结束。

在一些实施方式中，热蒸镀方法制备硫化物薄膜的步骤示例如下：在真空镀膜机的样品台上放置衬底材料并用夹具固定住；将真空镀膜机真空度抽至10^-6pa，利用加热钽蒸发舟的方式加热硫化物靶材玻璃，以0.2-0.8A/s的蒸镀速度沉积薄膜（优选地，沉积速率为0.5A/s），沉积速率以及膜厚由镀膜机内膜厚仪进行实时监控。

示例性地，硫化物薄膜为介质基底表面沉积的一层或多层硫化物薄膜，硫化物薄膜的基底材料为石英玻璃、晶态和非晶态硅、氮化硅中的一种，硫化物薄膜的硫化物材料为硫化锑、锗碲硫、锗锑碲、锗砷硫、锗碲硒中的一种。

示例性地，在S310：将硫化物薄膜固定至无刻蚀激光加工装置的样品固定系统的步骤之前，方法还包括：

开启无刻蚀激光加工装置的加工光源并预热预设时间，稳定加工光源的输出功率；

开启无刻蚀激光加工装置的白光观测系统，白光观测系统用于观测硫化物薄膜的表面。

示例性地，在开启无刻蚀激光加工装置的白光观测系统的步骤之后，方法还包括：

调节样品固定系统中的俯仰调节台，以使白光观测系统在整个待加工区域内可观测硫化物薄膜的表面；

调节样品固定系统中的旋转调节台，以使硫化物薄膜的放置角度与预设加工图案的角度相符合。

实施例3

请参见图3，图3为本申请实施例提供的无刻蚀激光加工装置的结构示意图，该无刻蚀激光加工装置应用于图1至图2的基于硫系材料的激光加工方法，该无刻蚀激光加工装置包括加工光源100、光束调控系统200、汇聚系统300、样品固定系统400和白光观测系统500。

示例性地，加工光源100用于输出激光光束。

在一些实施方式中，加工光源100使用可见光波段的连续激光器，激光功率≥300mW，光束质量M2<1.2。

示例性地，光束调控系统200设置于加工光源100的出口端，用于将激光光束调控为预设能量分布图案的激光光斑。

示例性地，汇聚系统300设置于光束调控系统200的出口端，用于汇聚激光光斑并将激光光斑成像至待加工样品600的表面。

在一些实施方中，汇聚系统300通过透镜成像系统将具有特定能量分布的光斑成像至物镜后焦面，然后垂直射入物镜入瞳，物镜将光斑缩小，成像在物镜工作距离平面，得到等比缩小、具有特定能量分布的激光光斑。

示例性地，待加工样品600即硫化物薄膜。

示例性地，样品固定系统400设置于汇聚系统300的出口端，用于固定待加工样品600。

示例性地，白光观测系统500设置于光束调控系统200和汇聚系统300之间，用于观测待加工样品600的加工区域形貌。

示例性地，样品固定系统400包括依次层叠设置的三轴位移台、俯仰调节台与旋转调节台，三轴位移台用于控制待加工样品600的加工位置，俯仰调节台用于调节待加工样品600的俯仰角度，旋转调节台调节待加工样品600的旋转角度；

示例性地，无刻蚀激光加工装置还包括电动功率衰减器和高速光开关，电动功率衰减器与加工光源100连接，用于调控激光光束的激光功率；高速光开关与加工光源100连接，用于调控光束通断；

示例性地，白光观测系统500还包括分束片700，分束片700设置于光束调控系统200和汇聚系统300之间，分束片700用于将准直平行的白光光束与激光光束合束，通过白光光束照射待加工样品600的加工区域，待加工样品600的白光反射光束经由分束片700照射至白光观测系统500。

在一些实施方式中，光束调控系统200首先通过特定的光束转换相位片，将半导体激光器输出的高斯光束转变为平顶光束，其光束能量在整个光斑范围内较为均匀；然后对平顶光束进行扩束，使其光斑尺寸符合光束整形器件的要求；最后通过光束整形器件对光束的能量分布进行调控，结合待加工的图案，将激光光束调控为特定的能量分布图案。同时，通过电动功率衰减器和高速光开关，实时动态调控加工激光光束的激光功率与光束通断。

在一些实施方式中，样品固定系统400通过三轴电动精密位移台、手动俯仰调节台与旋转调节台对待加工的硫化物薄膜样品进行固定控制。其中，三轴电动精密位移台用于控制样品加工位置，根据加工程序设定，自动移动样品位置；手动俯仰调节台与旋转调节台用于在加工前，手动对样品的俯仰与旋转角度进行调节，使得样品的初始空间位置符合加工要求。

示例性地，白光观测系统500通过R:T=10:90的分束片700将准直平行的白光光束与加工激光光束合束，利用白光光束照射样品加工区域，然后利用CCD观测白光反射光束，搭建反射式的白光成像显微镜，用于对加工区域形貌进行实时观测。

在一些实施方式中，将待加工的硫化物薄膜放置在物镜工作平面位置，加工光斑汇聚后照射在待加工薄膜表面。由于激光能量密度、照射时间等参数的变化，照射区域薄膜的氧化程度也会发生变化，其介电调控深度也会有所不同。通过调控待加工薄膜表面激光光斑能量分布与三轴精密电动位移台，可以实现硫化物薄膜表面任意特定图案的氧化调控。

本申请实施例中连续激光光束一般通过半导体激光器获得，激光波长的选择应在硫化物材料的光吸收波段内。同时，随着加工精度的提高，由于衍射极限的限制，需选择短波长激光，以便获取更小的激光光斑。

实施例4

请参见图4，图4为本申请实施例提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫系平面集成光子器件结构示意图，该硫系材料平面器件利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，样品衬底为晶体硅衬底1；硅衬底1表面沉积一层金反射层2；金反射层2由电子束蒸镀方式制备；金反射层2表面沉积一层氧化铝3低折射率层；氧化铝3低折射率层由原子层沉积方式制备；平面器件硫系材料为硫化锑4；硫系材料利用磁控溅射方法制备。

示例性的，无刻蚀激光加工过程中激光光斑为圆形光；激光光斑能量分布为高斯光斑；激光光斑氧化区域为圆形；无刻蚀激光加工图案为固定周期的二维圆形阵列结构。

示例性的，硫系平面集成光子器件加工完成后，在硫系材料表面覆盖单层氧化铝3保护层；氧化铝3保护层由原子层沉积方式制备。

实施例5

请参见图5，图5为本申请实施例提供的一种硫系材料无刻蚀激光加工的近红外波段线平面偏振片器件结构示意图，该硫系材料平面器件利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，样品衬底为晶体硅衬底1；硅衬底1表面沉积一层金反射层2；金反射层2由电子束蒸镀方式制备；金反射层2的厚度为100nm；金反射层2表面沉积一层氧化铝3低折射率层；氧化铝3低折射率层由原子层沉积方式制备；氧化铝3低折射率层的厚度为10nm；平面器件硫系材料为硫化锑4；硫系材料利用磁控溅射方法制备；硫化锑4层厚度为100nm。

示例性的，无刻蚀激光加工过程中激光波长为405nm；激光光斑形状为圆形；激光光斑能量分布为高斯分布。

示例性的，无刻蚀激光加工图案为固定周期的一维线状光栅阵列结构，光栅周期p为2um。

示例性的，硫系材料平面器件加工完成后，在硫系材料表面覆盖单层氧化铝3保护层；氧化铝3保护层由原子层沉积方式制备。

示例性的，近红外线偏振片反射谱请参见图6。当入射光场偏振方向平行光栅周期方向，偏振片在1500nm波段反射率接近0，当入射光场偏振方向垂直光栅周期方向，偏振片在近红外波段反射率接近1。

实施例六

请参见图7，图7为本申请实施例提供的无刻蚀激光氧化加工的硫基平面菲涅尔波带片结构示意图，该硫系材料平面器利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，样品衬底为晶体硅衬底1；硅衬底1表面沉积一层金反射层2；金反射层2由电子束蒸镀方式制备；金反射层2的厚度为100nm；金反射层2表面沉积一层氧化铝3低折射率层；氧化铝3低折射率层由原子层沉积方式制备；氧化铝3低折射率层的厚度为10nm；平面器件硫系材料为硫化锑4；硫系材料利用磁控溅射方法制备；硫化锑4层厚度为100nm。

示例性的，无刻蚀激光加工过程中激光波长为405nm；激光光斑形状为圆形；激光光斑能量分布为高斯分布。

示例性的，无刻蚀激光加工区域的加工图案为周期固定的二维点阵组成的同心圆环，二维点阵周期为1.03um。

示例性的，近红外菲涅尔透镜加工完成后，在硫系材料表面覆盖单层氧化铝3保护层；氧化铝3保护层由原子层沉积方式制备。

示例性的，近红外菲涅尔波带片在近红外工作波段反射率分布请参见图8，无刻蚀激光加工阵列结构在1550nm波长处反射率接近0，未曝光区域在1550nm波长处反射率接近1，进而实现对反射光场强度分布的周期性调制，完成对反射光场的聚焦。

实施例七

请参见图9，图9为本申请实施例提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面一阶OAM相位片结构示意图，该硫系材料平面器利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，样品衬底为晶体硅衬底1；硅衬底1表面沉积一层金反射层2；金反射层2由电子束蒸镀方式制备；金反射层2的厚度为100nm；金反射层2表面沉积一层氧化铝3低折射率层；氧化铝3低折射率层由原子层沉积方式制备；氧化铝3低折射率层的厚度为10nm；平面器件硫系材料为硫化锑4；硫系材料利用磁控溅射方法制备；硫化锑4层厚度为100nm。

示例性的，无刻蚀激光加工过程中激光波长为405nm；激光光斑形状为圆形；激光光斑能量分布为高斯分布。

示例性的，无刻蚀激光加工区域由8个同心扇形组成；每个扇形区域内为固定周期的二维点阵结构；8个扇形结构内部点阵周期不同，分别为1.015, 1.03, 1.045, 1.06,1.075, 1.09, 1105, 1.12um。

示例性的，硫系材料一阶OAM相位片加工完成后，在硫系材料表面覆盖单层氧化铝3保护层；氧化铝3保护层由原子层沉积方式制备；氧化铝3保护层厚度为10nm。

示例性的，近红外一阶OAM相位片反射远场光强分布请参见图10。

实施例八

请参见图，图11为本申请实施例提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导8结构示意图，该硫系材料平面器利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，样品衬底为氧化硅衬底7；氧化硅衬底7表面沉积一层硫化锑4；硫化锑4层厚度为400nm；硫化锑4利用磁控溅射方式制备。

示例性的，无刻蚀激光加工过程中激光波长为405nm；激光光斑形状为圆形；激光光斑能量分布为高斯分布。

无刻蚀激光区域的加工图案为两条平行排列的条状图形；条状加工图案宽度约为3um；两条加工图案间距约为500nm。

示例性的，硫系材料波导8加工完成后，在硫系材料表面覆盖单层氧化铝3保护层；氧化铝3保护层由原子层衬底方式制备；氧化铝3保护层厚度为30nm。

示例性的，在近红外通信波段，硫化锑4材料无刻蚀激光加工后，材料折射率显著低于为曝光区域，且显著高于氧化铝3保护层及空气。因此，近红外波段光场可以被很好的舒服在曝光图案中间部分未被曝光的硫化锑4结构中，进而实现片上光传输。

本申请实施例提供的硫化锑4材料在外部光或电信号激励下，材料本证折射率动态可调；因此，借助外部激励信号，改变硫化锑4片上波导8器件中波导8区域硫化锑4材料折射率，可以实现对波导8模式有效折射率的灵活调控。

示例性的，硫化锑4波导8在外部信号激励下，波导8模式有效折射率动态调控效果请参见图12。

实施例九

在实施例八基础上，本申请实施例提供了一种基于硫系材料平面波导的片上光学移相器。图13为本申请实施例提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导型相变光学移相器结构示意图，该硫系材料平面器利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，片上光学移相器结构从下至上，依次为：硅衬底1、氧化硅缓冲层9、硫化锑4平面波导8层、石墨烯热板10、氧化铝3包覆层和金属P电极12和金属N电极11；硫化锑4平面波导8由实施例八提供的加工方法制备。

本申请实施例提供的硫化锑4材料在外部光或电信号激励下，材料本证折射率动态可调。因此，借助外部电脉冲信号，通过金属P电极12和金属N电极11注入到高导热的石墨烯热板10中，通过电阻热效应给硫化锑4波导8加热使其相变。通过调控固定长度硫化锑4波导8的等效折射率，可实现经由该波导8传输的，不小于2π的光信号传播相位动态相移调控。

示例性的，移相器动态相位调制效果请参见图14。

实施例十

在实施例八基础上，本申请实施例提供了一种基于硫系材料平面波导8的片上马赫-曾德尔干涉型光开关。图15为本申请实施例提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面波导型马赫-曾德尔干涉型光开关结构示意图，该硫系材料平面器利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，片上马赫-曾德尔干涉型光开关结构从下至上，依次为：硅衬底1、氧化硅缓冲层9、硫化锑4波导层（包括输入端直波导15、分束波导16、中间端直波导15、合束波导17、输出端直波导15）、石墨烯热板10、氧化铝3包覆层和金属N电极11、金属P电极12; 硫化锑4平面波导由实施例八提供的加工方法制备。

本申请实施例提供的硫化锑4材料在外部光或电信号激励下，材料本证折射率动态可调。因此，借助外部电脉冲信号；通过金属N电极11、金属P电极12注入到高导热的石墨烯热板10中，通过电阻热效应给硫化锑4波导加热使其相变。通过调控固定长度硫化锑4波导的等效折射率，实现经由直波导15传输的，幅度不小于π的光信号传播相位有效相移。并利用马赫-曾德尔干涉原理，实现光信号在直波导15处输出端透射率大范围动态调控。

示例性的，本申请实施例提供的马赫-曾德尔干涉型光开关动态调控效果请参见图16。

实施例十一

在实施例八基础上，本申请实施例提供了一种基于硫系材料平面波导8的可调分光比片上分束光开关。图17为本申请实施例提供的一种无刻蚀激光氧化加工的硫基平面可调分光比片上分束光开关结构示意图，该硫系材料平面器利用图3无刻蚀激光加工装置结合图2的无刻蚀激光氧化加工方法加工。

示例性的，可调分光比片上分束光开关结构从下至上，依次为：硅衬底1、氧化硅缓冲层9、硫化锑4波导8层（包括输入端的直波导15、倏逝耦合波导18、输出端的直波导15，其中，输出端的直波导15包括第一输出直波导151和第二输出直波导152）、石墨烯热板10、氧化铝3包覆层和金属N电极11、金属P电极12; 硫化锑4平面波导由实施例八提供的加工方法制备。

本申请实施例提供的硫化锑4材料在外部光或电信号激励下，材料本证折射率动态可调。因此，借助外部电脉冲信号，通过金属N电极11、金属P电极12注入到高导热的石墨烯热板10中，调控固定长度的单根硫化锑4倏逝耦合波导18的等效折射率，实现第一输出直波导151和第二输出直波导152中光信号强度比任意可调。

示例性的，本申请实施例提供的可调分光比片上分束光开关动态调控效果请参见图18。

进一步的，本申请实施例提供的可调分光比片上分束光开关器件，通过调控固定长度的单根硫化锑4倏逝耦合波导18的等效折射率，可对由输入端的直波导15输入的光信号进行偏振分束。在第一输出直波导151和第二输出直波导152中分别输出TE偏振和TM偏振的光信号。此时，通过外部调制改变波导光信号的偏振态，调整TE和TM光信号的强度比，然后输入到该波导器件中，通过偏振分束的方式，实现分光比动态调控的功能。

示例性的，本申请实施例提供的可调分光比片上分束光开关器件偏振分光动态调制效果请见图19。

在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。

应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取预设尺寸的介质基底，并清洗所述介质基底；

在所述介质基底的表面制备均匀致密的硫化物薄膜；

根据预设加工图案获得预设能量分布图案的激光光斑；

根据所述预设加工图案生成激光光斑扫描参数；

通过所述激光光斑依据所述光斑扫描参数对所述硫化物薄膜进行无刻蚀激光氧化加工，获得硫系集成光子器件；

其中，所述硫化物薄膜的加工区域在所述激光光斑的辐照下升温，所述加工区域受热与加工环境中的氧离子发生反应并发生氧化，所述加工环境包括空气、氧气、水和氧离子溶液中的一种或多种；所述硫化物薄膜的辐照区域氧化前的第一材料折射率和氧化后的第二材料折射率不同，工作波段内所述第一材料折射率和所述第二材料折射率的差值不小于0.1；

若所选硫化物薄膜的硫系材料同时具备相变特性，则所述激光氧化加工的集成光子器件具有光学响应可编程、非易失的特性，相变材料包括硫化锑、硒化锑中的一种或多种。

2.根据权利要求1所述的基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，所述硫化物薄膜的硫化物材料在目标波段内的消光系数大于等于0.05，且所述硫化物材料为硫化锑、锗碲硫、锗锑碲、锗砷硫、锗碲硒中的一种或多种，所述目标波段为可见光波段、短波红外波段、中波红外波段、长波红外波段中的一种。

3.根据权利要求2所述的基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，所述激光光斑的激光光源为连续激光器，所述连续激光器的波长为所述硫化物材料消光系数大于等于0.05的任一波长。

4.根据权利要求1所述的基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，所述预设加工图案通过改变所述激光光斑的能量分布、改变所述激光光斑的扫描方式获得。

5.根据权利要求1或4所述的基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，所述激光光斑加工区域材料的氧化程度通过调节所述光斑能量、辐照时间及扫描方式实现多段调控。

6.根据权利要求5所述的基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，所述硫化物薄膜的加工区域在激光加工前的第一薄膜厚度和激光加工后的第二薄膜厚度仅存在微小差异，所述第二薄膜厚度与所述第一薄膜厚度的比值在0.8至1.2之间。

7.根据权利要求1所述的基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，所述预设加工图案包括圆形、椭圆形、长方形、十字形、圆环、椭圆环、方环、负十字图形、圆形阵列、椭圆形阵列、长方形阵列、十字形阵列、圆环阵列、椭圆环阵列、方环阵列、负十字图形阵列中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的基于硫系材料的激光加工方法，其特征在于，在制备集成光子器件的过程中无需引入额外有掩膜或无掩模曝光及刻蚀步骤。