飛秒激光加工光波導的工藝與傳輸特性研究

王少清，孫小燕，夏國才，羅 志

(1．中南大學機電工程學院，湖南 長沙410083;

2．中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南長沙410083)

1 引言

1996年，飛秒激光首次被證實能夠在透明介質(zhì)內(nèi)部制備光波導［1］，隨后國內(nèi)外進行了廣泛的研究。光波導可以通過基質(zhì)表面沉積、表面構造以及內(nèi)部構造得到［2－4］，與紫外曝光、離子擴散、離子/中子注入、離子/中子交換等其他成熟的制作工藝相比［5－7］，飛秒激光制作光波導在室溫環(huán)境下進行，過程簡單，可以實現(xiàn)三維溝道波導的制作，穩(wěn)定性較好，這對于制作高集成度、高復雜度和低成本的光波導器件具有重要應用價值。

在波導制備中，影響光波導質(zhì)量的主要因素是加工工藝參數(shù)和材料自身性能。雖然目前已有較多關于波導制作方式及波導傳輸損耗測量的研究［8－11］，但對于加工工藝參數(shù)對波導損耗的影響未進行更深入的研究，而波導的光學損耗是衡量其質(zhì)量高低的重要指標。因此深入探討波導結構及參數(shù)與損耗的關系是至關重要的，它可以為設計和制造性能優(yōu)良的光波導提供理論指導。

光波導的損耗主要包括耦合損耗和傳輸損耗。其中傳輸損耗直接反映了加工制備波導方法的效率和質(zhì)量，因而有較高的研究價值和意義。本文將采用散射光測量方法［12－14］，研究不同加工參數(shù)下波導的損耗情況，獲得波導傳輸損耗最優(yōu)化的加工工藝參數(shù)。

2 實驗

實驗加工系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)采用由美國光譜物理(Spectra Physics)公司生產(chǎn)的摻鈦藍寶石固體飛秒激光放大器，該激光器最大輸出功率為4 W，中心波長為800 nm，脈沖持續(xù)時間為120 fs，重復頻率1 kHz。采用圓形漸變?yōu)V光片對激光能量進行調(diào)整，為了避免球差的影響［15］，聚焦深度均為融石英上表面以下300μm，同時為了得到更好的光斑形狀，針對不同數(shù)值孔徑的物鏡，引入了300～350μm的狹縫對聚焦光斑進行光束整形［16］，使橫向直寫光波導的截面為對稱圓形，狹縫方向平行于波導光路方向。在加工方向兩端分別安放CCD和光源，用于觀察激光聚焦點的光斑形狀、位置以及融石英上表面位置，達到對加工深度的精確控制，同時也為后期波導的耦合提供定位支持，并采集波導端面輸出模場圖像。實驗采用的He－Ne激光器光源波長為 632．8 nm，能量2 mW，采用直接聚焦耦合的方式，將He－Ne激光通過物鏡直接聚焦到波導端面，通過電腦控制三維運動平臺，以He－Ne激光傳輸末端CCD采集到的波導輸出模場圖像為參考對加工波導光路進行精確耦合。將采集到波導散射的圖像通過Matlab進行圖像處理，獲得波導的傳輸損耗。

圖1 光波導的加工和耦合系統(tǒng)示意圖Fig．1 Schematic diagram of opticalwaveguide processing and the coupling system

3 實驗結果與分析

飛秒激光橫向直寫融石英加工波導光路的過程中，聚焦物鏡的數(shù)值孔徑、激光的平均功率和掃描速度都會對波導的加工質(zhì)量帶來不同程度的影響。實驗主要通過改變波導加工過程中聚焦物鏡的數(shù)值孔徑、掃描速度和激光功率等方面的參數(shù)加工出光波導，并進行耦合和損耗計算。

3．1 不同數(shù)值孔徑的聚焦物鏡對波導傳輸損耗的影響

數(shù)值孔徑是物鏡的重要參數(shù)，其大小直接決定著物鏡的聚焦特性。實驗使用數(shù)值孔徑為0．25、0．4和0．6的物鏡，當激光的平均功率為6 mW，掃描速度取50μm/s時，加工出來的光波導耦合情況如圖2所示。

圖2 不同數(shù)值孔徑物鏡加工光波導的耦合情況Fig．2 The coupling situation of opticalwaveguide fabricated by objective lens in different numerical aperture

從圖2中可以看出，隨著數(shù)值孔徑的增大，光波導耦合的輸出模場效果逐步下降，波導的衍射現(xiàn)象越加明顯［17］。同時，由圖3可知，光波導的傳輸散射也越來越明顯，此時測得光波導的寬度分別為34μm、22μm和14μm。

圖3 不同數(shù)值孔徑物鏡加工光波導的散射情況Fig．3 The scattering situation of opticalwaveguide fabricated by objective lens in different numerical aperture

一般認為，材料的加工閾值和燒蝕閾值是由飛秒激光的峰值強度所決定的［18］，當激光峰值強度高于加工閾值時，激光就會與融石英發(fā)生作用，引起材料的改性。當峰值強度繼續(xù)增大，高于材料的燒蝕閾值時，材料將出現(xiàn)燒蝕損壞現(xiàn)象。目前大多數(shù)激光器發(fā)出的光束形狀都服從高斯強度分布，其峰值強度一般只考慮強度分布在強度截面1/e2范圍內(nèi)的光束，即只對波束腰范圍內(nèi)的光束進行分析，其峰值強度可以表示為:

其中，P是激光功率;τ是飛秒激光的脈寬的半峰全寬(FWHM);fq是激光的重復頻率;NA是聚焦物鏡的數(shù)值孔徑，由式(1)可知，隨著數(shù)值孔徑的增大，激光的峰值光強也迅速增強。如圖4所示，波導的傳輸損耗和峰值光強之間的保持基本一致的增減關系。

圖4 不同數(shù)值孔徑下激光的峰值強度和波導傳輸損耗Fig．4 The peak intensity of laser and transmission loss ofwaveguide fabricated in different numerical aperture

實驗中激光加工速度的改變，可視為激光單脈沖作用的重復頻率，即單位時間上激光加工的脈沖數(shù)。激光的峰值能流密度可以表示為其峰值光強與加工脈沖數(shù)和激光脈沖寬度的乘積，即:

其中，p是激光平均功率;ν是激光的加工速度;λ是激光波長;NA是物鏡的數(shù)值孔徑。根據(jù)公式(2)，當物鏡數(shù)值孔徑0．25，激光平均功率7 mW，激光加工速度40μm/s時，激光峰值能流密度為2．08×104J/cm2;數(shù)值孔徑 0．4，激光平均功率6 mW，加工速度60μm/s時，激光峰值能流密度為2．04 × 104J/cm2;數(shù)值孔徑 0．6，激光平均功率5 mW，加工速度90μm/s時，激光峰值能流密度為2．02×104J/cm2。此時三組不同加工參數(shù)中飛秒激光作用于融石英上的峰值能流密度十分接近，得到的實驗結果如圖5所示。

圖5 相同峰值能量密度不同數(shù)值孔徑加工的光波導的耦合情況Fig．5 The coupling situation ofwaveguide fabricated at same peak energy density and different numerical aperture

由圖5可見，雖然作用在融石英上的峰值能流密度相同，但是波導輸出模場和散射情況卻大不相同。隨著數(shù)值孔徑的增大，波導端面形狀逐漸由對稱圓變成其他不規(guī)則形狀，波導表面的散射也更加明顯，如圖6所示，此時測得其傳輸損耗分別為 －0．5015 dB/cm、－1．0256 dB/cm 和－1．3446 dB/cm。

圖6 相同峰值能量密度不同數(shù)值孔徑加工的光波導的散射情況Fig．6 The scattering situation ofwaveguide fabricated at same peak energy density and different Numerical aperture

當物鏡的數(shù)值孔徑為0．4時，實驗采用功率為5 mW、6 mW和7 mW的激光分別對融石英進行加工。激光功率為7 mW時，加工的光波導散射與5 mW和6 mW時相比明顯增強，如圖7所示。

圖7 物鏡數(shù)值孔徑0．4時波導的傳輸損耗Fig．7 Transmission loss ofwaveguide fabricated by objective lens with 0．4 numerical aperture

由圖7可知，當物鏡數(shù)值孔徑0．4，激光功率為7 mW時，波導的散射光明顯增強，傳輸損耗迅速增大。此時飛秒激光的峰值能量密度為 4．78×104J/cm2，可見此能流密度接近融石英的燒蝕閾值。

實驗加工系統(tǒng)采取了狹縫對聚焦光斑進行整形，激光通過狹縫時大部分的能量都被擋在狹縫上，增大激光的輸出功率將造成大量的能量損耗。在加工光波導的過程中，激光平均功率的調(diào)節(jié)范圍為5～10 mW，當物鏡的數(shù)值孔徑為0．15時，在能量范圍內(nèi)均不能制作出可進行光傳輸?shù)牟▽?。根?jù)公式(1)，加大激光的輸出功率可以提高其峰值強度以達到加工的目的。經(jīng)計算，數(shù)值孔徑為0．25的物鏡，當激光功率為6 mW時，其峰值強度為3．0743×1015W/cm2，對于數(shù)值孔徑為0．15的物鏡，要達到相同的峰值強度，激光的輸出功率最小要達到17 mW。因此數(shù)值孔徑為0．25的聚焦物鏡比較符合實驗系統(tǒng)要求，加工的光波導截面為對稱圓形，輸出模場清晰，傳輸損耗較低。

3．2 不同的掃描速度對波導傳輸損耗的影響

為了便于觀察和檢測，實驗采用數(shù)值孔徑0．25的聚焦物鏡，當激光平均功率為8 mW時，加工速度為30 μm/s到80 μm/s，步進10 μm/s，采集到的耦合圖片如圖8所示。

圖8 不同加工速度下波導的耦合情況Fig．8 The coupling situation of waveguide fabricated at different speed

從圖可看出，波導輸出模場已經(jīng)基本一致，光傳輸質(zhì)量較好，其中30μm/s和40μm/s加工的波導截面形狀較之其他幾組顯得不夠圓，并有微弱的衍射現(xiàn)象。隨著加工速度的增加，散射光強逐漸減弱，如圖9所示。

圖9 不同加工速度下波導的散射情況Fig．9 Scattering situation ofwaveguide written at different speed

利用matlab對圖9的六組圖片進行處理，同時根據(jù)公式(2)，可得到不同速度下波導的傳輸損耗與激光峰值能流密度的關系如圖10所示。

圖10 不同加工速度下波導的傳輸損耗及峰值能流密度Fig．10 Transmission loss and peak energy density ofwaveguide fabricated at different speed

其中，點實線是光波導的傳輸損耗，虛線是不同速度下激光的峰值能流密度。從圖中點實線可以看出，隨著掃描速度的增加，激光的峰值能流密度逐漸減少，并與波導的傳輸損耗減小方向基本一致，當掃描速度大于50μm/s時，波導的傳輸損耗較小，達到－0．4786 dB/cm，此時激光的峰值能流密度為1．94 ×104J/cm2。

由此可見隨著掃描速度的變化，波導的傳輸損耗發(fā)生變化。在加工物鏡數(shù)值孔徑比較小的情況下，激光的加工速度在大于50μm/s時，能加工出損耗較小的波導，考慮到光波導加工的效率和更小能量加工的效果，實驗系統(tǒng)選取45～60μm/s為最佳加工速度。

3 ．3 不同的加工能量對波導傳輸損耗的影響

隨著加工能量的增加，波導傳輸損耗也逐步增加。為了進一步探討其增加規(guī)律，實驗采用數(shù)值孔徑0．25的聚焦物鏡，當激光加工的速度為50μm/s時，通過改變激光的輸出功率，可以得到如圖11所示的耦合情況。

圖11 不同加工能量下波導的耦合情況Fig．11 The coupling situation of waveguide fabricated in different energy

由圖11可知，激光功率為4 mW時，融石英端面未能觀測到波導的輸出模場。激光平均功率為5 mW時，波導端面輸出模場效果較差，波導表面的散射不明顯，無法采集到散射圖像(如圖12所示)。激光功率為6 mW和7 mW時波導端面形貌較圓，隨著能量的增加，激光的峰值強度逐漸變大，波導端面形貌逐步變差，傳輸損耗也逐漸增加。由此可推測出平均功率為5 mW，掃描速度為50μm/s時激光的峰值能流密度接近于融石英的加工閾值，為1．21 ×104J/cm2。

圖12 不同加工能量下波導的散射情況Fig．12 Scattering situation of waveguide fabricated in different energy

激光加工過程中，不同材料對激光的加工及燒蝕閾值都不同，同種材料也會因加工方式或純度不同引起閾值的波動。本實驗所采用的融石英，當激光平均功率在6 mW左右時加工的波導光路截面呈對稱圓，其耦合時波導端面的輸出模場較理想，傳輸損耗低于－0．2 dB/cm。如圖13所示，由實驗數(shù)據(jù)擬合可知，當物鏡的數(shù)值孔徑為0．25，激光加工速度為50μm/s，激光功率在5～11 mW范圍內(nèi)，可加工出傳輸損耗小于－1 dB/cm的光波導。

圖13 不同加工能量下波導的傳輸損耗Fig．13 Transmission loss ofwaveguide fabricated in different energy

4 結論

本文首先利用飛秒激光橫向直寫方式加工光波導，并使用不同數(shù)值孔徑的聚焦物鏡，通過改變激光的能量和掃描速度加工光波導，采用散射光測量方法分析了波導的傳輸損耗。實驗結果表明材料的加工閾值為1．21×104J/cm2，燒蝕閾值為4．78×104J/cm2。當激光功率為6 mW，物鏡數(shù)值孔徑為0．25時，要達到材料的加工閾值，激光的加工速度最大可達到60．14μm/s。當激光的峰值能流密度未達到融石英的加工閾值時，波導幾乎不能通光，此時損耗可視為很大。當激光峰值能流密度在融石英加工閾值和燒蝕閾值之間時，小數(shù)值孔徑的聚焦物鏡能加工出輸出模場較好，散射光強較弱的光波導。實驗表明聚焦物鏡數(shù)值孔徑0．25，激光平均功率在6 mW左右，加工掃描速度在45～60μm/s范圍內(nèi)時，可以加工出傳輸損耗低于－0．2 dB/cm的光波導。當激光加工速度為50μm/s，激光功率在5～11 mW范圍內(nèi)，可加工出傳輸損耗小于－1 dB/cm的光波導。當激光峰值能流密度超過材料的燒蝕閾值時，散射光強大幅度增大，無法正常傳輸He－Ne激光。

實驗研究分析了飛秒激光直寫加工波導光路的參數(shù)與傳輸損耗的關系，探索出加工光波導的優(yōu)化參數(shù)，對于設計和制造性能優(yōu)良的光波導有較好的參考價值。

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