專利名稱：用飛秒脈沖激光在石英基玻璃中直接刻寫光學(xué)元件的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉參照本申請(qǐng)要求下列申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)1999年7月29提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)連續(xù)號(hào)60/146,274，題為“Direct Writing of Optical Devices In Silica-Based GlassUsing Femtosecond Pulse Lasers”，發(fā)明人為Nicholas F.Borrelli和CharleneSmith，和1999年12月17提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)連續(xù)號(hào)60/172,122，題為“Femtosecond Laser Writing of Glass Including Borosiliicate，Sulfide and LeadGlasses”，發(fā)明人為Nicholas F.Borrell，David L.Morse，Alesander Streltsov和Bruce Aitken。
在電信領(lǐng)域中，光波導(dǎo)與Bragg衍射光柵等光學(xué)元件是眾所周知的。在光波導(dǎo)中，被低折射率包層包繞的高折射率纖芯能遠(yuǎn)距離發(fā)送大量光信息，信號(hào)衰減極小。光纖就是典型的這類裝置。光纖用某種方法生產(chǎn)，在其制造中形成合適的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。Bragg光柵是另一類光學(xué)元件，可用于使窄波長(zhǎng)帶與更寬的信號(hào)相隔離。在電信業(yè)光導(dǎo)器件中最常用的材料是摻雜的石英基成分。
眾所周知，脈沖激光源可造成折射率變化并在玻璃中造成物理損傷，前者用脈沖紫外輻射源刻寫B(tài)ragg光柵。最近已揭示了一種在玻璃體內(nèi)形成光波導(dǎo)的“直接刻寫”激光法，該玻璃體可透過飛秒激光波長(zhǎng)。在該方法中，當(dāng)玻璃垂直于通過焦點(diǎn)的入射束平移時(shí)，120fs脈沖810μm激光就聚集在一片經(jīng)拋光的摻氧化鍺的石英內(nèi)，據(jù)報(bào)道，在曝光區(qū)對(duì)焦點(diǎn)掃描十次的特定條件下，折射率可提高10-2量級(jí)。
在塊狀玻璃內(nèi)用短脈沖聚焦激光形成波導(dǎo)的直接刻寫工藝，一個(gè)潛在問題是過曝光。以過多能量輻射會(huì)使玻璃受到物理損傷，導(dǎo)致透過玻璃的光信號(hào)產(chǎn)生不希望有的衰減。
制作光學(xué)結(jié)構(gòu)的直接刻寫法的另一個(gè)問題，涉及在刻寫裝置(如激光器)的尺寸穩(wěn)定性與基板材料中造成所需折射率變化所需的能量之間作折衰。飛秒激光可工作于三種模式，各模式有其自己的優(yōu)缺點(diǎn)。每種激光配置的特性也使材料多少適用于某種場(chǎng)合。下表列出這些不同模式的一些特性。
上表表示根據(jù)激光的配置而作出的操作上的折衷。雖然在脈沖能量小于10nJ時(shí)相對(duì)容易用振蕩模式得到100MHz的重復(fù)率，但是能量為μJ級(jí)時(shí)，重復(fù)率被折衷，并降到數(shù)KHz范圍。用光束的時(shí)空完整性來定性描述的模質(zhì)量，在放大系統(tǒng)中較差，應(yīng)用振蕩器時(shí)有提高。同樣地，激光的整體穩(wěn)定性在振蕩器情況中更好。在制作光學(xué)元件的直接刻寫方法中，為了在基板中刻寫緊密相間的光學(xué)結(jié)構(gòu)(如衍射光柵線條)，要求控制激光束的尺度穩(wěn)定性，所以這些參數(shù)是有實(shí)際意義的。
為了使飛秒激光直接刻寫法變得實(shí)用，必須以合理的刻寫時(shí)間使材料的折射率發(fā)生很大變化 (＞10-3)，還要避免造成激光引起的物理損傷。還繼續(xù)要求有一種實(shí)用的直接刻寫方法來形成基于石英的光學(xué)元件，并以可以接受的高的刻寫速率實(shí)現(xiàn)足夠大的折射率。這類方法可用于刻寫連續(xù)的光波導(dǎo)圖案，在一塊連續(xù)的合適材料內(nèi)連接任何兩點(diǎn)，或制作Bragg光柵等其它光學(xué)元件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是應(yīng)用特快激光的尺度穩(wěn)定操作模式在石英基材料中刻寫光學(xué)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，軟石英基材料對(duì)在快中特快激光刻寫光學(xué)結(jié)構(gòu)有很高的靈敏度。具體地說，在退火點(diǎn)低于5mo1.％氧化鍺(GeO2)-95mol.％石英(SiO2)系的石英基成分中，更容易產(chǎn)生飛秒激光引起的折射率變化，因?yàn)榈兔}沖能量與快平移速度同樣能像硬石英基材料那樣提高折射率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供的一種方法可利用短脈沖激光在玻璃中直接刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，對(duì)玻璃基本上無物理損傷。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種在石英基導(dǎo)體狀玻璃中的刻寫三維光學(xué)結(jié)構(gòu)的方法。具體而言，本發(fā)明將特快激光的折射率增大焦點(diǎn)沿x，y與已維度平移通過石英基基板。
根據(jù)本發(fā)明的再一個(gè)方面，揭示了各種配置本文所述方法制作的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件。
參閱這一揭示內(nèi)容，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將更加明白本發(fā)明的這些與其它方面。
圖2(a)與2(b)表示入射激光事相對(duì)于分制以預(yù)部刻寫與軸向刻寫取向的掃描方向的定位。
圖3(a)與3(b)分別表示頂部刻寫取向的掃描束剖面與波導(dǎo)截面形狀照片。
圖3(c)與3(d)分別表示軸向刻寫取向的掃描束剖面與波導(dǎo)截面形狀照片。
圖4(a)與4(b)是在塊狀玻璃中直接刻寫三維光學(xué)元件的頂部刻寫結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖5是用于觀察遠(yuǎn)場(chǎng)圖案的設(shè)備示意圖。
圖6是按本發(fā)明刻寫在石英基材料中的波導(dǎo)的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)圖照片。
圖7是按本發(fā)明刻寫在摻硼酸鹽石英中的波導(dǎo)的遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)圖照片。
圖8(a)與8(b)是刻寫在熔融石英，摻氧化鍺石英中的波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)圖照片。
圖8(c)是近場(chǎng)圖與摻硼酸鹽石英的光強(qiáng)跡線。
圖9(a)與9(d)示出各種可用要本發(fā)明制造的示例光學(xué)元件。


圖10是用本發(fā)明刻寫在石英中的Y耦合器的照片。
發(fā)明的詳細(xì)描述本發(fā)明在塊狀基板中形成光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的直接刻寫法包括以下步驟選擇某種用石英基材料制造并在其中刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基板；將脈沖激光束聚焦在基板內(nèi)的某一位置，使一部分受輻射材料的折射率增大；和將基板與焦點(diǎn)相互平移，在基板內(nèi)沿掃描路徑形成光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
參照?qǐng)D1所示適合實(shí)施本發(fā)明的設(shè)備的一般配置，能更好地理解本方法。激光器1產(chǎn)生的脈沖激光束2，由透鏡5聚焦定位在玻璃樣品4內(nèi)的焦點(diǎn)3。樣品沿x方向6、y方向7和z方向8的一個(gè)或多個(gè)方向平移，使樣品相對(duì)于激光束焦點(diǎn)以期望的平移或掃描速度平移。樣品相對(duì)焦點(diǎn)的這種平移，可用計(jì)算機(jī)控制的xyz工作臺(tái)等定位或平移裝置(未示出)來實(shí)現(xiàn)。
聚集的激光束與不聚集的束相比，其最大光強(qiáng)明顯增大。隨著光束焦點(diǎn)平移通過樣品，高光強(qiáng)的聚焦激光束沿光束焦點(diǎn)所掃描的路徑增大了玻璃的折射率。折射率增大的區(qū)域可以導(dǎo)光，從而起到光波導(dǎo)作用。
“頂部刻寫”法是沿掃描方向13平移樣品形成的，方向13基本上垂直于入射激光束，如圖2(a)所示，“軸向刻寫”法是沿掃描方向13平移樣品形成的，方向13基本上平行于入射束，如圖2(b)所示。技術(shù)人員顯然明白，將樣品只沿x方向，只沿y方向或同時(shí)沿x與y兩個(gè)方向平移，也可實(shí)現(xiàn)頂部刻寫。
圖3(a)與3(b)所示的頂部刻寫波導(dǎo)的焦點(diǎn)剖面與截面形狀，不同于圖3(c)與3(d)所示的軸向刻寫波導(dǎo)的情況。圖3(a)示出了頂部刻寫取向時(shí)焦點(diǎn)附近相對(duì)于掃描方向13的激光束剖面，圖3(c)示出了軸向刻寫取向時(shí)焦點(diǎn)附近相對(duì)于掃描方向13的激光束剖面。當(dāng)頂部刻寫焦點(diǎn)沿掃描方向平移通過樣品時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生橢圓形波導(dǎo)截面，如圖3(b)所示。當(dāng)軸向刻寫焦點(diǎn)沿掃描方向平移通過樣品時(shí)，常常產(chǎn)生圓形波導(dǎo)截面，如圖3(d)所示。因此，為了制作基本上為圓形截面的波導(dǎo)，一般優(yōu)選軸向刻寫波導(dǎo)。為了刻寫比聚焦透鏡的焦距更長(zhǎng)的連續(xù)直線型波導(dǎo)，則希望采用頂部刻寫。
參照?qǐng)D4(a)與4(b)進(jìn)一步描述應(yīng)用這種直接刻寫法在樣品中刻寫三維波導(dǎo)的能力。透鏡5將激光束2聚集到位于玻璃樣品4內(nèi)的焦點(diǎn)3。樣品沿x、y與z方向從深度D1的第一位置 (x1、y1、z1)平移到深度D2的第二位置(x2、y2、z2)，使玻璃沿掃描路徑9的折射率增大，在樣品內(nèi)形成一個(gè)在第一與第二位置之間作三維延伸的光波導(dǎo)。若希望是平面型即二維波導(dǎo)，x1可以與x2相同，y1可以與y2相同，或z1可以與z2相同。若希望是直線型波導(dǎo)，x1與y1可以分別和x2與y2相同，y1與z1可以分別和y2與z2相同，或x1與z1可以分別同x2與z2相同。
脈沖激光束用若干光束參數(shù)表征，包括波長(zhǎng)、脈沖持續(xù)時(shí)間或脈寬、脈沖能量與重復(fù)頻率。較佳地，把激光波長(zhǎng)和樣品選成盡量減少樣品對(duì)束能量的光吸收。在摻雜與不摻雜兩種石英基玻璃的情況中，波長(zhǎng)可落在約400-1100nm范圍內(nèi)，較佳落在約800-830nm范圍內(nèi)。在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)，基本上不存在石英基樣品對(duì)激光束的光吸收。準(zhǔn)備用于本發(fā)明的玻璃材料，基本上對(duì)有關(guān)波長(zhǎng)透明。
各脈沖的持續(xù)時(shí)間即脈寬，最好小于150fs。具有這種脈寬或更短脈寬的激光器稱為飛秒或特快激光器。更佳地，脈沖持續(xù)時(shí)間小于約100fs，最佳約為40-60fs。脈寬短到18fs的激光器曾用來實(shí)施本發(fā)明，單位脈沖能量或脈沖能量可從1μJ到10μJ，較佳約為0.1-10μJ，更佳約為1-4μJ。對(duì)于放大激光系統(tǒng)，重復(fù)頻率或脈沖頻率較佳約為1kHz-250kHz，但也可高達(dá)80MHz。
激光器可以是能產(chǎn)生以所需光束參數(shù)表征的脈沖激光束的任一種裝置，例如可以是一種鈦蘭寶石放大系統(tǒng)。一種合適的激光器是用鎖模型的鈦蘭寶石振蕩器活化的Quantronix Odin多通放大器。
一種合適的聚焦透鏡包括放大率約為5-20倍的顯微物鏡，其數(shù)值孔徑(NA)最好約為0.16-0.25。一種特別優(yōu)選的聚焦透鏡是10x，0.16NA的非球面透鏡，使用這種透鏡可使聚集的激光束實(shí)現(xiàn)衍射受限制的光斑尺寸。
平移裝置可以是任何一種能使樣品相對(duì)于光束焦點(diǎn)以有關(guān)平移速度作平移的裝置。較佳地，平移速度約為5-500μm/s或更快，例如可以使用Newport公司出售的一種計(jì)算機(jī)控制型xyz定位裝置。
雖然下述諸實(shí)例都指玻璃樣品相對(duì)于固定焦點(diǎn)而移動(dòng)，但是技術(shù)人員顯然明白，為了實(shí)現(xiàn)樣品與焦點(diǎn)之間期望的相對(duì)平移速度，激光焦點(diǎn)可以相對(duì)固定的樣品作移動(dòng)，或者激光焦點(diǎn)與樣品二者能相對(duì)于一固定基準(zhǔn)點(diǎn)同時(shí)移動(dòng)。
雖然諸附圖繪出了適用于本發(fā)明的玻璃樣品，因?yàn)樗鼈兙哂谢旧舷嗷ト∠虺芍苯堑钠教贡砻?，但是技術(shù)人員應(yīng)明白，本發(fā)明并不限于這類規(guī)則的實(shí)體幾何形狀，而是可以在幾乎任何規(guī)則或不規(guī)則形狀的三維樣品中直接刻寫光波導(dǎo)。然而，最好讓樣品相對(duì)于入射激光束定位，從而使激光束基本上垂直于入射束通過的樣品表面。
在其中可以用本發(fā)明刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的基板成分是以石英為基的材料(以下稱石英基材料)，包括不摻雜的熔融石英和摻雜的二元與三元石英系。考慮到各種期望的光學(xué)特性及其在電信設(shè)備中的普遍應(yīng)用，優(yōu)選石英基材料。
“石英基材料”是指含石英但基本上不含堿、堿土與過渡金屬元素以及其它在1300-1600nm范圍內(nèi)造成吸光的雜質(zhì)的玻璃成分。即使存在，在用于本發(fā)明的石英基材料中，這類雜質(zhì)也一般不高于10ppb(10億分之幾)。
根據(jù)本文揭示的內(nèi)容，使用更低的脈沖能量和/或更快的平移速度，在用軟石英基玻璃成分制作的塊狀基板中刻寫波導(dǎo)比在硬石英基材料制作的塊狀基板中刻寫更容易，且不損害造成的折射率變化幅度。對(duì)用特快(飛秒)激光器直接刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)，軟石英基成分比硬石英基成分玻璃更靈敏。
為此，“軟”石英基材料被定義為摻雜或不摻雜的石英基材料，其退火小于5mol.％GeO2-95mol.％SiO2的退火點(diǎn)，即石英基材料的退火點(diǎn)小于約1380°K。優(yōu)選的石英基玻璃是不摻雜和摻雜的二元或三元石英基材料，其退火點(diǎn)小于約1380°K，更佳小于約1350°K，最佳約為900-1325°K。退火點(diǎn)定義為材料粘度為1013.6泊時(shí)的溫度。
不摻雜的軟石英基材料包括例如Corning 7980玻璃等商用級(jí)熔融石英，退火點(diǎn)約為1261-1323°K。至于摻雜的材料系，可以軟化石英的優(yōu)選摻雜物包括硼、磷、鋁與鍺的氧化物，如硼酸鹽(B2O3)、磷酸鹽(P2O5)、氧化鋁(Al2O3)、氧化鍺(GeO2)等。
在二元摻硼石英基系中，硼酸鹽含量可包括高達(dá)20wt.％或更高的硼酸鹽，如可用二元玻璃系9wt.％B2O3-91wt.％SiO2和20wt.％B2O3-80wt.％SiO2實(shí)施本發(fā)明。9wt.％B2O3-91wt.％SiO2成分的退火點(diǎn)為999°K。
在二元摻磷的石英基系中，磷酸鹽含量也可包括高達(dá)20wt.％或更高的磷酸鹽，如可用二元玻璃系10wt.％P2O5-90wt.％SiO2和7wt.％P2O5-93wt.％SiO2成分實(shí)施本發(fā)明。7wt.％P2O5-93wt.％SiO2成分的退火點(diǎn)約為1231°K。
在二元摻鋁石英基系中，氧化鋁含量可包括高達(dá)20wt.％或更高的氧化鋁，如可用二元玻璃系10wt.％Al2O3-90wt.％SiO2實(shí)施本發(fā)明。
在二元摻鍺石英基系中，氧化鍺含量可包括高達(dá)約2wt.％或更高的氧化鍺，如可用二元玻璃系20wt.％GeO2-80wt.％SiO2和22wt.％GeO2-78wt.％SiO2實(shí)施本發(fā)明。20wt.％GeO2-80wt.％SiO2成分的退火點(diǎn)約為1323°K，而22wt.％GeO2-78wt.％SiO2成分的退火點(diǎn)約為1311°K。
“硬”石英基材料定義為摻雜或不摻雜的石英基材料，退火點(diǎn)高于5mol.％GeO2-95mol.％SiO2。系的退火點(diǎn)，即高于1380°K。硬石英基材料的例子包括退火點(diǎn)約為1425°K的干熔融石英。正如本領(lǐng)域已知，“干”熔融石英幾乎不含殘余羥基，而商用級(jí)熔融石英可能含更高量級(jí)如約800ppm的羥基。
技術(shù)人員顯然明白，可以用許多其它石英基成分實(shí)施本發(fā)明。
本發(fā)明使用的石英基材料最好用火焰水解工藝制造。在這種工藝中，含硅氣體分子在火焰中反應(yīng)生成SiO2碳黑粒子，這些粒子沉積在旋轉(zhuǎn)體的熱表面上，凝固成極粘的流體后冷卻成玻璃(固體)態(tài)。在本領(lǐng)域中，這類玻璃制作方法稱為汽相水解/氧化工藝，或簡(jiǎn)稱為火焰水解工藝。
下述結(jié)合實(shí)例報(bào)道的所造成的折射率變化，用束擴(kuò)散法測(cè)定，假定是一種階躍折射率曲線。圖5示出用本方法對(duì)按本發(fā)明制作的波導(dǎo)因輻射引起折射率變化進(jìn)行評(píng)估的實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖。運(yùn)用空間濾波器20、準(zhǔn)直透鏡19、分束器17、望遠(yuǎn)鏡18和透鏡5在樣品4中刻寫波導(dǎo)16后，把氦氖激光器21發(fā)出的光耦入波導(dǎo)16，并測(cè)量出現(xiàn)的光錐體的數(shù)值孔徑(NA)。由于下述實(shí)例制作的波導(dǎo)的長(zhǎng)度一般為1cm，所以來自氦氖激光器的未引導(dǎo)光與該波導(dǎo)耦出的光發(fā)生干涉，造成數(shù)字照相機(jī)14和個(gè)人計(jì)算機(jī)15記錄下來的遠(yuǎn)場(chǎng)的同心環(huán)干涉圖案。記錄的干涉圖案的圖案示于圖6。
測(cè)量干涉條紋的漸消半徑Rfringe。波導(dǎo)出口與觀察表面的距離L固定為75cm。波導(dǎo)的NA按下式計(jì)算NA＝Rfringe/L假定是一條階躍折射率曲線，則按Δn＝(NA)2/2n的關(guān)系計(jì)算所造成的折射率變化Δn。
為了更便于理解本發(fā)明，可參照下面諸實(shí)例。這些實(shí)例只說明本發(fā)明，不限制發(fā)明范圍。實(shí)例1運(yùn)用10×(0.16NA)顯然鏡物鏡，將鈦蘭寶石多通放大器發(fā)出的脈沖聚焦到熔融石英玻璃樣品中。脈沖的持續(xù)時(shí)間為60fs，脈沖能量約為1μJ，樣品裝在計(jì)算機(jī)控制的高精密三維平移臺(tái)上。熔融石英樣品以30μm/s速率平移通過光束焦點(diǎn)，在塊材中形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。實(shí)例2用830nm激光器提供1kHz重復(fù)頻率的40fs脈沖，單位脈沖能量約為1-5μJ，用空氣中數(shù)值孔徑為0.16的透鏡將光束聚集入表面下方的玻璃中，樣品在光束下方以約5-100μm/s的速率移動(dòng)。保持實(shí)驗(yàn)條件不變，對(duì)熔融石英和14wt.％GeO2-86wt.％SiO2樣品曝光。光束聚焦于玻璃表面下方約1μm處。對(duì)于在同樣曝光條件下受輻射的樣品，氧化鍺-石英樣品受激光影響區(qū)的直徑為熔融石英樣品的二倍。根據(jù)這一結(jié)果，確認(rèn)氧化鍺石英材料比熔融石英對(duì)特快激光曝光造成的折射率變化更敏感。實(shí)例3軸向刻寫法用聚焦的激光輻射對(duì)各種玻璃成分基板曝光，即SiO2(Corning產(chǎn)品7980)(22wt.％GeO2-78wt.％SiO2和9wt.％B2O3-91wt.％SiO2)。激光波長(zhǎng)為830nm，脈沖持續(xù)時(shí)間40fs，單位脈沖能量1.0μJ，重復(fù)頻率1KHz，掃描速度20μm/s。曝光后，根據(jù)波導(dǎo)產(chǎn)生的遠(yuǎn)場(chǎng)圖案，估算633nm時(shí)造成的折射率變化，結(jié)果列于表1。每種材料的退火點(diǎn)也列于表1。
表1造成的折射率變化(實(shí)例3)
實(shí)例4軸刻寫法用聚焦的激光輻射對(duì)9wt.％B2O3-91wt.％SiO2玻璃樣品曝光。激光波長(zhǎng)830nm，脈沖持續(xù)時(shí)間40fs，單位脈沖能量1.0μJ，重復(fù)頻率1KHz，掃描速率20μm/s。該樣品的遠(yuǎn)場(chǎng)圖案顯微照片示于圖7。雙瓣圖案表明高次模傳播。由于實(shí)例2的石英和氧化鍺樣品示出單瓣圖案，為了支持附加模式，硼酸鹽樣品的有效折射率變化必須一直大于其它兩種樣品。實(shí)例5
用聚集的激光輻射對(duì)表1列出的每種玻璃成分曝光。激光波長(zhǎng)830nm，脈沖持續(xù)時(shí)間40fs，單位脈沖能量0.5μJ，掃描速度10μm/s。曝光后，樣品用顯微鏡拍攝，放大400倍，得到的SiO2、22wt.％GeO2-78wt.％SiO2和9wt.％B2O3-91wt.％SiO2樣品的顯微照片分別示于圖8(a)-8(c)，表明對(duì)較軟的玻璃成分增大了光斑尺寸。這些結(jié)果表明，軟玻璃成分對(duì)830nm的40fs脈沖激光射的的靈敏度提高了。
上述結(jié)果清楚地說明，在測(cè)定激光引起的折射率變化的幅度方面，受曝光的玻璃成分的軟度是個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。實(shí)例6用飛秒激光輻射在各種塊狀玻璃中刻寫光波導(dǎo)。鈦-蘭寶石激光以830nm輻射，脈寬為40-50fs，脈沖能量0.5-10μJ，脈沖重復(fù)頻率1kHz，用0.15NA透鏡將光束聚集入玻璃塊中，玻璃快的直線平移速度5-100μm/s。假設(shè)是一種衍射受限的高斯光束，光束焦點(diǎn)尺寸估計(jì)為5μm。將該玻璃塊相對(duì)于焦點(diǎn)沿軸向(即光束方向)平移，玻璃對(duì)光束曝光。因此，曝光的標(biāo)稱光強(qiáng)為0.05-1×1015w/cm2。引起的折射率變化(10-3)見表2。
表2引起的折射率變化(10-3)(實(shí)例6)
*雙瓣圖案實(shí)例7用飛秒激光輻射在熔融石英刻寫光波導(dǎo)。鈦-蘭寶石激光以830nm輻射，脈寬150fs，脈沖能量為5、10與20μJ，脈沖重復(fù)頻率1kHz，光束用0.1NA透鏡聚集，玻璃基板直線平移速度為15、50與500μm/s。將基板相對(duì)于焦點(diǎn)沿“頂部刻寫”取向(即垂直于光束的方向)平移，用光束對(duì)玻璃曝光。實(shí)例7引起的折射率變化(10-3)列于表3。
表3引起的折射率變化(10-3)(實(shí)例7)
實(shí)例8用以鎖模型鈦-蘭寶石振蕩器活化的Quantronix Odin多通放大器產(chǎn)生飛秒激光脈沖，工作波長(zhǎng)830nm，系統(tǒng)以1kHz重復(fù)頻率產(chǎn)生60fs脈沖。用10×(0.16NA)單塊非球面鏡顯微物鏡將激光束聚入熔融石英樣品里，利用分辨率200nm的計(jì)算機(jī)控制型三維工作臺(tái)使樣品相對(duì)于聚焦區(qū)平移而刻寫光結(jié)構(gòu)。運(yùn)用該較長(zhǎng)加工距離的這種物鏡，刻寫長(zhǎng)達(dá)2cm平行于光束的波導(dǎo)。應(yīng)用上述NA測(cè)量技術(shù)，測(cè)定石英引起的折射率變化(10-3)值并列于表4。在所有情況下，波導(dǎo)直徑約為3μm，該波導(dǎo)直徑對(duì)入射脈沖能量或平移速度的相依性似乎最小。
表4在熔融石英中引起的折射率變化(10-3)(實(shí)例8)
*雙瓣遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)圖案是第二模的特征—小得無法測(cè)量實(shí)例9重復(fù)實(shí)例8的實(shí)驗(yàn)條件，但樣品較軟的玻璃成分9wt.％B2O3-91wt.％SiO2而不是熔融石英制作。摻硼石英材料引起折射率變化(10-3)的值列于表5
表5在摻硼石英中引起的折射率變化(10-3)(實(shí)例9)
*雙瓣遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)圖案是第二模的特征—小得無法測(cè)量在大多數(shù)情況中，同樣的刻寫條件，包括脈沖能量與掃描速度，在摻硼石英玻璃中比熔融石英玻璃中產(chǎn)生更大的折射率增大。相應(yīng)地，產(chǎn)生同樣程度的折射率變化所需的曝光量，摻硼石英材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熔融石英材料。
通過比較產(chǎn)生圖6所示特征瓣遠(yuǎn)場(chǎng)圖案所需的曝光量，也說明了摻硼玻璃的靈敏度比熔融石英玻璃高。該圖案似乎對(duì)應(yīng)于第二模的開始。
令人感興趣的是，簡(jiǎn)型階躍指數(shù)波導(dǎo)第二模的開始由公式2πrNA/λ＝2.4給出。已測(cè)得，在雙瓣圖案開始處，NA為0.08，以633nm的測(cè)量波長(zhǎng)，該值應(yīng)對(duì)應(yīng)于3μm的波導(dǎo)半徑，近似為觀察波導(dǎo)的尺度。在摻硼石英與純?nèi)廴谑煞N玻璃中，材料響應(yīng)特性似乎飽和了，試圖通過增大脈沖能量或降低平移速度來產(chǎn)生大于該飽和值的折射率變化，都會(huì)損傷波導(dǎo)而無法有效導(dǎo)光。
運(yùn)用現(xiàn)在描述的材料與方法，可在塊狀玻璃中制作各種各樣的光學(xué)元件。實(shí)例10描述了Y耦合器元件的制作與性能。實(shí)例10以實(shí)例1的條件，在塊狀純?nèi)廴谑悠分锌虒慪耦合器。如圖10所示，照片結(jié)構(gòu)表示從氟激光導(dǎo)出的光。為清楚起見，照片的垂直尺度相對(duì)水平尺寸作了放大。測(cè)得的分裂角為0.5°。經(jīng)觀察，514.5nm光將近一半被耦入耦合器的兩條分支。
本發(fā)明還可制作品種繁多的其它光學(xué)元件，如圖9(a)的星形耦合器，其中心波導(dǎo)22被多個(gè)外圍波導(dǎo)23包圍。本發(fā)明還可制作圖9(b)的Mach-Zehnder無源耦合器，包括一對(duì)Mach-Zehnder波導(dǎo)26。如圖9(c)所示，包括Mach-Zehnder波導(dǎo)26和熱型或其它類型活化器24的Mach-Zehnder有源耦合器，也可用本發(fā)明制作。
本發(fā)明還可在塊狀玻璃中制作Bragg或衍射型光柵，如圖10所示。波導(dǎo)16導(dǎo)向光柵刻線25。應(yīng)用本發(fā)明可將線距做到0.5μm。
應(yīng)該理解，上述的本發(fā)明諸較佳實(shí)施例可作各種修正、變化與更改，而且都包含在所附權(quán)利要求等效的含義與范圍內(nèi)。
另外，雖然本文提到的若干等效元件可以代替參照諸較佳實(shí)施例所圖示和描述的元件，但是此并不表示已無遺漏地應(yīng)付了所有可能的同等元件，也不將權(quán)利要求限定的本發(fā)明限制于任一特定的同等元件及其組合件。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白，還可能存在目前已知或準(zhǔn)備開發(fā)的其它同等元件，它們?cè)跈?quán)利要求限定的本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)都適用。
權(quán)利要求
1.一種在塊狀玻璃基板中刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括a.選擇一種用軟石英基材料制作的塊狀玻璃基板；和b.將脈沖激光束聚焦于所述基板內(nèi)的焦點(diǎn)，同時(shí)將該焦點(diǎn)沿一掃描路徑以某一掃描速度相對(duì)基板作平移，造成該材料沿掃描路徑的折射率相對(duì)于未曝光材料的折射率增大，而激光沿掃描路徑基本上不造成材料的破壞。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述材料的退火點(diǎn)低于約1350°K。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，材料的退火點(diǎn)低于約1325°K。
4.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，材料對(duì)激光波長(zhǎng)基本上透明。
5.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，材料帶隙與激光輻射能量之比至少約為5。
6.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，所述激光束在焦點(diǎn)的最大光強(qiáng)至少約為1014W/cm2。
7.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，材料包括的第一摻雜物選自GeO2，B2O3，Al2O3，P2O5。
8.如權(quán)利要求7的方法，其特征在于，所述材料還包括成分與所述第一摻雜物不同的第二摻雜物，所述第二摻雜物選自GeO2，B2O3，Al2O3，P2O5。
9.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，激光脈沖持續(xù)時(shí)間約為從18fs到小于120fs。
10.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，激光重復(fù)頻率約為從1KHz到小于200KHz。
11.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，脈沖能量約為1nJ-10μJ。
12.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，脈沖能量約為1-4μJ。
13.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，脈沖能量約為1nJ-10nJ。
14.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，掃描速率大于20μm/s但小于約500μm/s。
15.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，焦點(diǎn)相對(duì)于基板沿基本上平行于激光束的掃描方向平移。
16.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，焦點(diǎn)相對(duì)于基板沿基本上垂直于激光束的掃描方向平移。
17.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，焦點(diǎn)相對(duì)于基板作三維平移。
18.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的直徑約為3-4μm。
19.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，焦點(diǎn)沿掃描路徑平移一次使折射率增大超過約0.0001。
20.一種用權(quán)利要求2所述方法制作的產(chǎn)品。
21.如權(quán)利要求20的產(chǎn)品，其特征在于，該產(chǎn)品是一種元件，選自Y耦合器，定向耦合器，星形耦合器，Mach-Zehnder器件、環(huán)路反射鏡、去復(fù)用耦合器，摻鉺單級(jí)或多級(jí)放大器以及具有表面改性的熱的、壓電的或溝型活化器的器件。
22.一種用權(quán)利要求2所述方法制作的衍射光柵。
23.如權(quán)利要求22的產(chǎn)品，其特征在于，線距約為0.5μm。
24.一種在塊狀玻璃基板中刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟a.選擇一種用硬的摻雜石英基材料制作的塊狀玻璃基板；和b.將脈沖激光束聚焦于所述基板內(nèi)的焦點(diǎn)，同時(shí)將該焦點(diǎn)沿一掃描路徑以某一掃描速度相對(duì)基板作平移，造成該材料沿掃描路徑的折射率相對(duì)于未曝光材料的折射率增大，而激光沿掃描路徑基本上不造成材料的破壞。
25.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，該材料對(duì)激光波長(zhǎng)基本上透明。
26.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，材料的帶隙與激光輻射能量之比至少約為5。
27.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，所述激光束在焦點(diǎn)處的最大光強(qiáng)至少約為1014W/cm2。
28.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，該材料包括GeO2。
29.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，激光脈沖持續(xù)時(shí)間約為從18fs到小于120fs。
30.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，激光重復(fù)頻率約為從1KHz到小于200KHz。
31.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，脈沖能量約為1nJ-10μJ。
32.如權(quán)利要求31的方法，其特征在于，脈沖能量約為1μJ-4μJ。
33.如權(quán)利要求31的方法，其特征在于，脈沖能量約為1nJ-10nJ。
34.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，掃描速度大于20μm/s但小于約500μm/s。
35.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，焦點(diǎn)相對(duì)基板沿基本上平行于激光束的掃描方向平移。
36.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，焦點(diǎn)相對(duì)基板沿基本上垂直于激光束的掃描方向平移。
37.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，焦點(diǎn)相對(duì)基板作三維平移。
38.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的直徑約為3-4μm。
39.如權(quán)利要求24的方法，其特征在于，焦點(diǎn)沿掃描路徑平移一次，使折射率增大超過約0.0001。
40.一種用權(quán)利要求24所述的方法制作的產(chǎn)品。
41.一種刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟a.選擇一種用火焰水解工藝制作的包含石英基材料的塊狀玻璃基板；b.將脈沖激光束聚焦于所述基板內(nèi)的焦點(diǎn)，同時(shí)將該焦點(diǎn)沿掃描路徑以某一掃描速度相對(duì)基板作平移，造成該材料沿掃描路徑的折射率相對(duì)于未曝光材料的折射率增大，而激光沿掃描路徑基本上不造成材料的破壞。
42.一種在塊狀玻璃基板中刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，包括以下步驟a.選擇一種用摻雜的石英基材料制作的塊狀玻璃基板，摻雜物選自B2O3，Al2O3與P2O5；和b.將脈沖激光束聚焦于所述基板內(nèi)的焦點(diǎn)，同時(shí)將該焦點(diǎn)沿一掃描路徑以某一掃描速度相對(duì)基板作平移，造成該材料沿掃描路徑的折射率相對(duì)于未曝光材料的折射率增大，而激光沿掃描路徑基本上不造成材料的破壞。
43.一種在玻璃體內(nèi)部制作三維內(nèi)部隧道光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟提供一玻璃體，所述玻璃體有一內(nèi)部，所述內(nèi)部具有一勻質(zhì)成分和折射率，提供脈沖激光束，將所述脈沖激光束聚集成一會(huì)聚的激光束，激光束具有可以增大折射率的焦點(diǎn)。將所述焦點(diǎn)定位在所述玻璃體內(nèi)部，控制所述焦點(diǎn)與所述玻璃體的相對(duì)移動(dòng)，所述焦點(diǎn)形成一個(gè)通過所述玻璃體的折射率升高的波導(dǎo)芯結(jié)構(gòu)，所述折射率升高的波導(dǎo)芯用于導(dǎo)光，并被所述玻璃體包覆。
44.如權(quán)利要求43的方法，其特征在于，所述玻璃體具有第一外側(cè)面與第二外側(cè)面，所述第一外側(cè)面處于第一平面內(nèi)，所述第二外側(cè)面處于第二平面內(nèi)，所述第二平面與所述第一平面不平行，所述波導(dǎo)芯從所述第一外側(cè)面的輸入端到所述第二外側(cè)而的輸出端開出一隧道。
45.如權(quán)利要求43的方法，其特征在于，所述玻璃體有一平面的外部基側(cè)面，其中所述波導(dǎo)芯隧道所處的平面與所述平面基側(cè)面不平行。
46.如權(quán)利要求43的方法，其特征在于，所述方法包括形成第一、第二和第三折射率升高的波導(dǎo)芯隧道通路，其中所述第三隧道通路所處的平面與所述第一和第二隧道通路分開。
47.如權(quán)利要求43的方法，其特征在于，所述提供一玻璃體的步驟包括提供一均勻摻有玻璃軟化摻雜物的玻璃。
48.如權(quán)利要求43的方法，其特征在于，所述焦點(diǎn)形成的折射率增大至少為1×10-5。
49.如權(quán)利要求43的方法，其特征在于，所述焦點(diǎn)形成的折射率增大至少為1×10-4。
50.如權(quán)利要求43的方法，所述方法包括形成第一與第二折射率升高的波導(dǎo)芯隧道通路，其中將被引導(dǎo)光從所述第一波導(dǎo)芯隧道通路耦合至所述第二波導(dǎo)芯隧道通路。
51.如權(quán)利要求43的方法，其特征在于，所述方法包括形成一用于復(fù)用多條光波長(zhǎng)信道的波分復(fù)用器，所述形成步驟包括以下步驟形成多個(gè)分開輸入多條光波長(zhǎng)信道的波導(dǎo)芯隧道輸入端，形成復(fù)用所述輸入信道的復(fù)用區(qū)，以及形成輸出所述復(fù)用輸入信道的輸出波導(dǎo)芯隧道。
全文摘要
本發(fā)明涉及在塊狀玻璃基板中刻寫光導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法。塊狀玻璃基板最好用退火點(diǎn)小于約1380°K的軟石英基材料制作。脈沖激光束在基板內(nèi)聚焦,焦點(diǎn)相對(duì)于基板沿掃描路徑以某一掃描速度平移,造成該材料沿掃描路徑的折射率增大,激光沿掃描路徑基本上不對(duì)該材料造成物理損傷。各種光學(xué)元件都可用這種方法制作。
文檔編號(hào)G11C13/04GK1365500SQ00810909
公開日2002年8月21日 申請(qǐng)日期2000年7月28日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月29日
發(fā)明者N·F·博雷利, C·M·史密斯 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司