專利名稱：一種微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光學(xué)元件技術(shù)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種微透鏡與光波導(dǎo)功分器集 成元件及其制作方法。
背景技術(shù)：
微光學(xué)元件是微光電機(jī)系統(tǒng)(M0EMQ的關(guān)鍵元器件，其中微透鏡陣列、光柵、光波 導(dǎo)等又是微光學(xué)元件當(dāng)中最基本的器件。微光學(xué)元件具有體積小、重量輕、設(shè)計(jì)靈活、可陣 列化和易復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)，能夠起到提高光學(xué)系統(tǒng)的傳輸效率、減輕系統(tǒng)重量、改變輸入光的能 量分布和相位變化、實(shí)現(xiàn)光束變換和光學(xué)互聯(lián)等方面的作用，廣泛用于集成光學(xué)、光通信、 激光光學(xué)、全息技術(shù)等各個領(lǐng)域中。目前，在微光學(xué)元件的制造方面，采用飛秒激光在透明材料中進(jìn)行二維或三維光 波導(dǎo)刻寫的技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。早在1996年，Davis等報(bào)道了飛秒激光在聚焦點(diǎn)可誘導(dǎo)介 質(zhì)折射率的增加，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。1999年，Homoelle使用紅外飛秒激光在硅玻璃上制 作了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并由此制作出了 Y型耦合器。2004年，Yamada等使用波長為800nm，重復(fù)頻 率為IkHz的飛秒激光在玻璃上制作了微型衍射透鏡。2009年，Valle等利用商用鈦寶石飛 秒激光器在玻璃基質(zhì)上制作了光波導(dǎo)和放大器等。在國內(nèi)，從上個世紀(jì)末開始，先后有多家科研單位利用自制或進(jìn)口的商用飛秒激 光系統(tǒng)開展飛秒激光制作光子器件的研究工作，側(cè)重于在K9玻璃、玻璃晶體、氟化鈣玻璃 等材料中進(jìn)行制作光波導(dǎo)方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究。然而，現(xiàn)有的基于飛秒激光的微光學(xué)元件制作技術(shù)，只能實(shí)現(xiàn)對單一功能的微光 學(xué)器件的制作，但對于將單一功能的微光學(xué)元件與其它微光學(xué)元件集成的微光學(xué)元件產(chǎn)品 及其制作方法方面的研究，在國內(nèi)外卻未見相關(guān)報(bào)道。如果能夠?qū)崿F(xiàn)微透鏡與光波導(dǎo)功分 器的集成，則能夠提高耦合效率，降低整個元件的傳輸損耗，在實(shí)際應(yīng)用中具有重要作用。 但是，對于將多個微光學(xué)器件集成在一塊基底上的制作技術(shù)，在國內(nèi)外尚屬于研究空白。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件 及其制作方法。本發(fā)明應(yīng)用離子交換技術(shù)，在玻璃基底形成半球型聚焦微透鏡陣列，進(jìn)而利 用飛秒激光誘導(dǎo)玻璃基底的內(nèi)部發(fā)生折射率變化，形成微米寬度的光波導(dǎo)功分器，從而實(shí) 現(xiàn)將微透鏡和光波導(dǎo)功分器兩種基本微光學(xué)元件集成在一塊玻璃基底上，生成具有最佳性 能的微光學(xué)集成器件。本發(fā)明提供了一種微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件，其特征在于，包括玻璃基底；半球型微透鏡陣列，所述半球型微透鏡陣列通過離子交換形成于所述玻璃基底表 光波導(dǎo)功分器，其通過飛秒激光刻寫于所述玻璃基底內(nèi)部形成光波導(dǎo)。
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優(yōu)選地，其中，所述光波導(dǎo)功分器為1X4分路的光功分器。優(yōu)選地，其中，所述光波導(dǎo)功分器從所述半球型微透鏡陣列的焦點(diǎn)出發(fā)形成所述 光波導(dǎo)。優(yōu)選地，其中，所述玻璃基底的材料為含鈉離子自制玻璃。本發(fā)明還提供了上述微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件的制作方法，其特征在于， 包括以下步驟步驟1:制作玻璃基底；步驟2 通過離子交換在所述玻璃基底表面形成半球型微透鏡陣列；步驟3 采用飛秒激光以預(yù)定的掃描速度和軌跡掃描玻璃基底，誘導(dǎo)所述玻璃基 底內(nèi)部形成光波導(dǎo)功分器。其中，優(yōu)選地，步驟1中所述玻璃基底采用含鈉離子玻璃材料熔制。其中，優(yōu)選地，步驟2中所述離子交換采用銫離子與鈉離子作為離子交換對，所述 離子交換的交換時間為48小時，交換溫度為530°C ；并且所述離子交換包括鍍鈦膜、點(diǎn)狀光 刻和銫離子鈉離子交換步驟。其中，優(yōu)選地，步驟3中采用的飛秒激光為單脈沖能量30mJ，光中心波長800nm，脈 沖寬度50fs，重復(fù)頻率為IOHz的鈦寶石飛秒激光。并且，進(jìn)一步優(yōu)選地，所述飛秒激光經(jīng)聚 焦后掃描玻璃基底，聚焦光斑小于10 μ m。其中，優(yōu)選地，步驟3中利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制根據(jù)光分路路徑控制所述飛秒 激光的掃描速度和軌跡，所述預(yù)定的掃描速度為350-400 μ m/s。其中，優(yōu)選地，在步驟3中采用透鏡成像方法和平行光聚焦法確定半球型微透鏡 陣列的焦點(diǎn)區(qū)間，并控制飛秒激光從焦點(diǎn)出發(fā)掃描所述玻璃基底形成光波導(dǎo)。本發(fā)明從離子交換形成半球聚焦微透鏡出發(fā)，采用飛秒激光誘導(dǎo)玻璃內(nèi)部發(fā)生變 化形成光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)微透鏡與光波導(dǎo)的對準(zhǔn)和耦合，形成最佳性能的微光學(xué)集成元件，填補(bǔ) 了本領(lǐng)域技術(shù)空白。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例所采用的飛秒激光控制系統(tǒng)。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，并使本發(fā)明的上述目 的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合實(shí)施例及實(shí)施例附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì) 的說明。圖1是在本發(fā)明實(shí)施例中，用于制作本發(fā)明所述微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件 的飛秒激光控制系統(tǒng)。其中，泵浦激光器101和鈦寶石飛秒諧振腔102用于生成飛秒激光脈 沖；所生成的飛秒激光輸出波長800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率為10Hz，單脈沖能量30mJ。 所述飛秒激光經(jīng)濾光片組103進(jìn)入衰減片組104進(jìn)行能量衰減，并配合光源的電源調(diào)節(jié)，最 終使激光達(dá)到適合光波導(dǎo)刻寫的能量級。其中衰減片組104可以采用連續(xù)可調(diào)中性密度衰減片。衰減后的飛秒激光的實(shí)際能量大小可以在激光通過顯微物鏡前放入光束取樣鏡功率 計(jì)加以測量。經(jīng)衰減的激光經(jīng)由光間105、擴(kuò)束器106以及分色鏡107后進(jìn)入顯微物鏡108， 由該顯微物鏡108聚焦。顯微物鏡108的數(shù)值孔徑有0. 2、0. 4和0. 6，激光光束聚焦后形成 的光斑應(yīng)小于10 μ m，使其功率密度超過IO12 1014W/cm2。實(shí)驗(yàn)證明，在激光的功率密度大 于上述范圍時，可以誘導(dǎo)玻璃基底的折射率發(fā)生變化，且變化程度隨著功率密度增大而增 大。折射率變化可以通過顯微鏡觀察，經(jīng)測量，玻璃基底的折射率變化在10_4 10_2范圍內(nèi) 時符合光波導(dǎo)應(yīng)用要求。如圖1所示，玻璃基底10固定于三維掃描平臺110上，且三維掃 描平臺和光閘105均受到控制系統(tǒng)111的控制。控制系統(tǒng)111是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)預(yù) 先設(shè)計(jì)的光分路路徑方程，通過移動三維掃描平臺110來控制激光對玻璃基底10的掃描速 度和路徑，從而在玻璃基底10內(nèi)誘導(dǎo)形成光波導(dǎo)功分器。三維掃描平臺110的最小分辨率 應(yīng)為30nm，以便控制掃描精度。(XD112和監(jiān)視器113用于監(jiān)測飛秒激光聚焦后的光斑大小 以及在玻璃基底內(nèi)的定位。本發(fā)明利用離子交換技術(shù)以及圖1所示的飛秒激光控制系統(tǒng)，并改進(jìn)玻璃基底的 摻雜成分，實(shí)現(xiàn)對微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件的制作。下面詳細(xì)介紹具體的制作方法， 包括以下步驟步驟1 制作玻璃基底。通過研究各種摻雜成分對微光學(xué)器件性能的影響，本發(fā)明 的玻璃基底采用含鈉離子玻璃(GaO-GeO-Na2O-SiO2)成分配制，熔制形成均勻透明的光學(xué) 玻璃，從而實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化的微光學(xué)器件原材料配方。步驟2 通過離子交換在所述玻璃基底表面形成半球型微透鏡陣列。本步驟中所 述離子交換采用銫離子與鈉離子(Cs+-Na+)作為離子交換對，并且所述離子交換的交換時 間為48小時，交換溫度為530°C。具體來說，步驟2中包括鍍鈦膜、點(diǎn)狀光刻和銫離子、鈉離 子(Cs+-Na+)交換步驟，這與現(xiàn)有的離子交換制作微透鏡陣列的方法相同，篇幅所限不再贅 述。步驟3 采用飛秒激光以預(yù)定的掃描速度和軌跡掃描玻璃基底，誘導(dǎo)所述玻璃基 底內(nèi)部形成光波導(dǎo)功分器。本步驟中采用圖1所示的飛秒激光控制系統(tǒng)進(jìn)行玻璃基底內(nèi)部 的刻制，形成微米寬度的光波導(dǎo)功分器。如前文所述，步驟3中采用的飛秒激光為單脈沖能 量30mJ，光中心波長800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率為IOHz的鈦寶石飛秒激光。激光束能 量通過對光源的電源調(diào)節(jié)和連續(xù)可調(diào)中性密度衰減片來控制，其實(shí)際大小通過在物鏡前放 入光束取樣鏡用功率計(jì)測量。經(jīng)物鏡聚焦后所述飛秒激光的聚焦光斑小于10 μ m，功率密度 超過IO12 1014W/cm2，可以誘導(dǎo)玻璃基底的折射率變化，當(dāng)玻璃基底的折射率變化在10_4 10_2范圍內(nèi)時，符合光波導(dǎo)應(yīng)用要求，可以形成光波導(dǎo)功分器。在步驟3中，利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，根據(jù)光路徑方程預(yù)先設(shè)計(jì)飛秒激光的掃描速 度和運(yùn)動軌跡，從而根據(jù)光分路路徑控制所述飛秒激光的掃描速度和軌跡。其中，預(yù)定的掃 描速度為350-400 μ m/s。本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)微透鏡與光波導(dǎo)功分器高效率集成，其關(guān)鍵是微透鏡與光波導(dǎo)功 分器的對準(zhǔn)和耦合，從而使光信息在集成元件內(nèi)部有效傳輸。為了實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)與耦合，在步驟 3中采用透鏡成像方法和平行光聚焦法確定半球型微透鏡陣列的焦點(diǎn)區(qū)間，并通過控制系 統(tǒng)控制飛秒激光從微透鏡陣列的焦點(diǎn)出發(fā)開始掃描所述玻璃基底，從而形成光波導(dǎo)。為了檢測和分析本發(fā)明所述集成元件的傳輸效率，實(shí)現(xiàn)最佳性能，在完成以上制
5作步驟之后，進(jìn)一步通過多功能顯微鏡BK51、紫外-可見-近紅外光譜儀UV-3150、光斑質(zhì) 量分析儀LBA-700PC、光波導(dǎo)對準(zhǔn)耦合系統(tǒng)等設(shè)備分析、測試半球型透鏡的聚焦本領(lǐng)和焦點(diǎn) 位置、透鏡與波導(dǎo)功分器耦合效率、整個集成元件的傳輸損耗和輸出端能量分布的均勻性 等進(jìn)行測試和分析。圖2示出了通過以上制作方法生成的微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件的結(jié)構(gòu)。如 圖2所示，所述微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件包括玻璃基底10，所述玻璃基底10是采用含鈉離子玻璃成分配制并熔制而成的均勻 透明的光學(xué)玻璃基質(zhì)。半球型微透鏡陣列20，所述半球型微透鏡陣列20通過離子交換形成于所述玻璃 基底表面；光波導(dǎo)功分器30，其通過飛秒激光L刻寫于所述玻璃基底內(nèi)部形成光波導(dǎo)。在圖 1中，所述光波導(dǎo)功分器為1X4分路的光功分器。并且，所述光波導(dǎo)功分器30從所述半球 型微透鏡陣列20的焦點(diǎn)出發(fā)形成所述光波導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)微透鏡與光波導(dǎo)功分器的對準(zhǔn)，提高 微透鏡與光波導(dǎo)功分器的耦合效率，降低整個集成元件的傳輸損耗。以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，本發(fā)明還可以應(yīng)用在其它控制設(shè)備中。本 發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍 內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范 圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件，其特征在于，包括玻璃基底；半球型微透鏡陣列，所述半球型微透鏡陣列通過離子交換形成于所述玻璃基底表面；光波導(dǎo)功分器，其通過飛秒激光刻寫于所述玻璃基底內(nèi)部形成光波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件，其特征在于，所述光波導(dǎo) 功分器為1X4分路的光功分器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件，其特征在于，所述光波導(dǎo) 功分器從所述半球型微透鏡陣列的焦點(diǎn)出發(fā)形成所述光波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件，其特征在于，所述玻璃基 底的材料為含鈉離子玻璃。
5.一種微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件的制作方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 制作玻璃基底；步驟2 通過離子交換在所述玻璃基底表面形成半球型微透鏡陣列；步驟3:采用飛秒激光以預(yù)定的掃描速度和軌跡掃描玻璃基底，誘導(dǎo)所述玻璃基底內(nèi) 部形成光波導(dǎo)功分器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，步驟1中所述玻璃基底采用含鈉離子 玻璃材料熔制。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，步驟2中所述離子交換采用銫離子與 鈉離子作為離子交換對，所述離子交換的交換時間為48小時，交換溫度為530°C ；并且所述 離子交換包括鍍鈦膜、點(diǎn)狀光刻和銫離子鈉離子交換步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，步驟3中采用的飛秒激光為單脈沖能 量30mJ，光中心波長800nm，脈沖寬度50fs，重復(fù)頻率為IOHz的鈦寶石飛秒激光，所述飛秒 激光經(jīng)聚焦后掃描玻璃基底，聚焦光斑小于10 μ m。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，步驟3中利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制根 據(jù)光分路路徑控制所述飛秒激光的掃描速度和軌跡，所述預(yù)定的掃描速度為350-400 μ m/S。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制作方法，其特征在于，在步驟3中采用透鏡成像方法和平 行光聚焦法確定半球型微透鏡陣列的焦點(diǎn)區(qū)間，并控制飛秒激光從焦點(diǎn)出發(fā)掃描所述玻璃 基底形成光波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種微透鏡與光波導(dǎo)功分器集成元件及其制作方法。本發(fā)明應(yīng)用離子交換技術(shù)，在玻璃基底形成半球型聚焦微透鏡陣列，進(jìn)而利用飛秒激光誘導(dǎo)玻璃基底的內(nèi)部發(fā)生折射率變化，形成微米寬度的光波導(dǎo)功分器，從而實(shí)現(xiàn)將微透鏡和光波導(dǎo)功分器兩種基本微光學(xué)元件集成在一塊玻璃基底上，實(shí)現(xiàn)微透鏡與光波導(dǎo)的對準(zhǔn)和耦合，生成具有最佳性能的微光學(xué)集成器件，填補(bǔ)了本領(lǐng)域技術(shù)空白。
文檔編號G02B6/13GK102116898SQ201110005219
公開日2011年7月6日 申請日期2011年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月11日
發(fā)明者周自剛, 唐金龍, 李曉紅, 邱榮 申請人:西南科技大學(xué)