一种透明芯层光波导及其飞秒激光湿法刻蚀灌注制备方法

技术领域

本发明涉及一种光波导及其制备方法，具体涉及一种透明芯层光波导及其飞秒激光湿法刻蚀灌注制备方法。

背景技术

光波导由低折射率包层和高折射率芯层组成，光在芯层内部传输，在芯层-包层界面处发生全反射，从而被限制在芯层内，以较低的损耗沿着波导的方向传播。基于光波导的光子集成器件具有紧凑的尺寸，强大的功能，高效率的导波和低成本、高效益等优点，具有广泛的应用前景。为了获得结构更紧凑、功能更复杂、能量利用率更高的集成器件，有必要研究损耗低、空间自由度更高的高质量波导。

目前制备波导主要有质子/离子交换、离子注入、高频溅射、等离子体聚合、热扩散粒子交换、光刻技术等平面波导工艺，及3D打印、飞秒激光直写等三维波导工艺；但是，平面波导应用较为受限；3D打印制备的三维波导尺度大，精度较差，损耗高；采用飞秒激光直写技术加工基底制备光波导时，由于其改性区与未改性区折射率差异不够大，波导的弯曲曲率过小，不适用于制备曲率更高的波导，限制了波导的制备和应用。

发明内容

本发明目的在于解决采用飞秒激光直写改性基底制备工艺制备的光波导，所形成的改性区和非改性区光折射率差异小，导致无法制备高曲率三维光波导的技术问题，提出一种透明芯层光波导及其飞秒激光湿法刻蚀灌注制备方法。

本发明提供的技术方案为：

一种光波导，其特殊之处在于：包括芯层和包层；

所述芯层为透明基底制备的透明芯层，所述透明基底的材质需满足：透明基底透光率大于等于90％；

所述包层为复合树脂层，所述复合树脂的光折射率小于透明基底的光折射率。

进一步地，所述透明芯层为石英芯层；

所述复合树脂层为光固化复合树脂或热固化复合树脂。

同时，本发明还提供一种飞秒激光湿法刻蚀灌注制备方法，用于制备上述透明芯层光波导，其特殊之处在于，包括以下步骤：

S1、将透明基底放置于加工台上，所述透明基底的选取需满足：透明基底透光率大于等于90％；将飞秒激光聚焦在透明基底内部，根据所需光波导的形状预设透明芯层，设定飞秒激光的改性路径，使预设透明芯层外周区域改性，形成环绕透明芯层的改性区；预设透明芯层的两端外侧留有未改性区，作为预设透明芯层的支撑部，同时，在改性区外周的透明基底上靠近支撑部的位置开设有通孔；

S2、将改性后的透明基底浸没在刻蚀液中，刻蚀液通过通孔进入改性区进行刻蚀，在改性区形成环绕预设透明芯层的刻蚀通道，将刻蚀后的透明基底置于体积浓度90-95％的酒精溶液中超声清洗3-15min后取出烘干；

S3、将刻蚀通道的第一端垫高，使透明基底倾斜，通过通孔在刻蚀通道的第一端滴入复合树脂，所述复合树脂的光折射率小于透明基底的光折射率且粘度小于300cps；待复合树脂从刻蚀通道的第一端流至刻蚀通道的第二端，将透明基底水平静置20～500秒，再将透明基底放至真空室抽真空；

S4、从真空室取出透明基底，将复合树脂固化并与透明芯层组成完整的光波导结构；

S5、将透明基底两端包含有支撑部及通孔的部分去除，形成光波导。

进一步地，步骤S1中，所述设定飞秒激光的路径，使预设透明芯层外周区域改性，具体为：

飞秒激光在透明基底内部的聚焦点运行轨迹是围绕在预设透明芯层周围的螺线轨迹，且满足L≤2r，其中，L为螺线轨迹的螺距，r为飞秒激光直线改性的半径。

进一步地，步骤S1中，所述透明基底为石英基底；

步骤S2中，所述刻蚀液为HF酸溶液，所述HF酸溶液的体积浓度为3％-30％，所述刻蚀的刻蚀时间为2-7小时。

进一步地，步骤S1中，所述飞秒激光的激光功率为1mW-30mW；所述飞秒激光的扫描速度为5μm/s-500μm/s。

进一步地，步骤S1中，飞秒激光的激光功率为3mW-15mW；飞秒激光的扫描速度为20μm/s-200μm/s。

进一步地，所述飞秒激光由钛蓝宝石激光器或light conversion激光器或光纤激光器产生；

所述飞秒激光通过光路导入物镜系统，通过物镜系统后聚焦在石英基底内部；

所述光路包括沿光传输方向依次设置的第一光阑、衰减片、1/4波片、第二光阑和提束镜；

所述衰减片用于调节飞秒激光的激光功率；

所述1/4波片用于将飞秒激光线偏振态改为飞秒激光圆偏振态。

圆偏振态激光产生的不规则疏松纳米结构改性区会比线偏振态激光产生的纳米结构改性区更有利于刻蚀液的渗入，使刻蚀后形成的刻蚀通道5更加均匀平滑，很好的减少光传输中的损耗。

进一步地，步骤S3中，所述复合树脂为光固化复合树脂或热固化复合树脂。

本发明的有益效果：

1、本发明包层可以根据需要选择不同的复合树脂，使复合树脂包层和透明芯层折射率差较大可以制备曲率更高的弯曲波导，增加波导结构的复杂度，同时波导包层的材料可以替换，可以调控包层材料对波导的性能进行优化。

2、本发明通过飞秒激光湿法刻蚀和液体灌注结合的方式具备加工真三维波导能力，飞秒激光可以在透明材料内部加工，通过程序控制可以加工出三维石英芯层，进而制备出三维光波导。

3、本发明波导制备在透明基底内部进行，对外界环境的洁净度要求较低。

4、本发明以石英为基底，可以更好的与其他微光学器件集成，增加了波导的应用环境。

附图说明

图1为本发明飞秒激光湿法刻蚀灌注制备方法实施例流程图；

图2为本发明实施例中飞秒激光对石英基底改性的螺线轨迹示意图；

图3为本发明实施例中改性后的石英基底在HF酸溶液中刻蚀示意图；

图4为本发明实施例中刻蚀通道轴向剖视图；

图5为本发明实施例中刻蚀通道径向剖视图；

图6为本发明实施例中灌注光固化复合树脂示意图；

图7为本发明实施例中光固化复合树脂固化示意图；

图8为本发明实施例中光固化复合树脂固化后与预设石英芯层形成透明芯层光波导后的轴向剖视图；

图9为本发明实施例中光固化复合树脂固化后与预设石英芯层形成透明芯层光波导后的径向剖视图。

附图标记如下：

1-飞秒激光，2-螺线轨迹，3-石英基底，4-HF酸溶液，5-刻蚀通道，6-预设石英芯层，61-石英芯层，7-光固化复合树脂，8-紫外光源。

具体实施方式

参见图8和图9，本实施例提供一种光波导，该光波导包括芯层和包层；芯层为石英基底制备的石英芯层61，可以理解的是，其他能用于光波导的透明基底也可以使用，该透明基底材质需要满足：透明基底透光率大于等于90％；包层为复合树脂，所述复合树脂的光折射率小于透明基底的光折射率，复合树脂为光固化复合树脂7或热固化复合树脂，不同复合树脂包层与石英芯层61组成折射率差不同的组合。

参见图1，本实施例还提供一种用于制备上述光波导的飞秒激光湿法刻蚀灌注制备方法，该方法包括以下步骤：

S1、将石英基底3放置于三维加工台上，还可以选择其他透明基底，该透明基底需满足：透明基底透光率大于等于90％，例如玻璃、高分子聚合物和部分晶体等透明材料均可作为基底；使用钛蓝宝石激光器产生的高斯型飞秒激光1依次通过第一光阑，衰减片，1/4波片，第二光阑，提束镜，物镜系统聚焦后，将飞秒激光1聚焦在石英基底3内部，其中，衰减片用于调节飞秒激光1的激光功率；1/4波片用于将飞秒激光1线偏振态改为飞秒激光1圆偏振态，圆偏振态激光产生的不规则疏松纳米结构改性区会比线偏振态激光产生的纳米结构改性区更有利于刻蚀液的渗入，使刻蚀后形成的刻蚀通道5更加均匀平滑，以减少光传输中的损耗；提束镜为反射镜，通过反射镜将激光束提升。根据所需光波导的形状预设石英芯层6，设定飞秒激光1的改性路径，使预设石英芯层6外周区域改性，形成环绕预设石英芯层6的改性区；预设石英芯层6的两端外侧留有未改性区，作为预设石英芯层6的支撑部(支撑部的尺寸相对较小，图中未示出)，同时，在改性区外周的石英基底3上靠近支撑部的位置开设有通孔(图中的剖视图中未示出通孔)；优选的，参见图2，飞秒激光1在石英基底3内部的聚焦点运行轨迹是围绕在预设石英芯层6周围的螺线轨迹2，且满足L≤2r，其中，L为螺线轨迹2的螺距，r为飞秒激光1直线改性的半径；直线改性的半径是指飞秒激光沿轨迹扫描后，以轨迹线为中心径向形成的改性区域半径；这种方式进行飞秒激光1改性操作简单，改性区刻蚀后形成的刻蚀通道5更均匀平滑。

通过调节衰减片控制激光功率的大小在1mW-30mW，优选的，激光功率在3mW-15mW范围内；扫描速度控制在5μm/s-500μm/s范围内，以20μm/s-200μm/s范围为优选，本实施例选择100μm/s的扫描速度。激光功率和扫描速度可以控制改性区进而控制后续刻蚀出的刻蚀通道5的均匀性，激光功率过高或扫描速度过小时，石英基底3的表面会产生变性，容易出现缺陷；激光功率过低或扫描速度过大时，刻蚀出来的通道均匀性较差，预设石英芯层6粗糙度也会变大。

可以理解的是，激光器还可以是light conversion激光器或光纤激光器或其他能实现飞秒激光1聚集在石英基底3内部进行改性的激光器。

S2、参见图3，将改性后的石英基底3浸没在HF酸溶液4中进行刻蚀，刻蚀2-7小时，形成刻蚀通道5，其中，HF酸溶液4的体积浓度为3％-30％，HF酸溶液4浓度过高时，刻蚀通道5表面缺陷增加，而HF酸溶液4浓度过低时，腐蚀速度过慢，本实施例选择5％浓度的HF溶液酸。随着改性区材料的腐蚀、去除，石英基底3内部会形成通道，随着时间的增加，通道直径会逐步增大，相邻通道会逐渐相交、融合，最后，在预设石英芯层6周围形成管状的环腔，参见图4和图5，从而以一种类似于车床加工的方式获得材料内的波导石英芯层。值得注意的是，预设石英芯层6两端并没有进行螺线轨迹2刻蚀，所以预设石英芯层6的两端与石英基底3依然为一体连接状态，石英基底3的上端开口，HF酸溶液4从开口处进入改性区进行刻蚀反应。刻蚀结束后取出石英基底3，放置在体积浓度90-95％的酒精溶液中超声清洗10min后取出烘干。

S3、参见图6，将刻蚀通道5的第一端垫高，使石英基底3倾斜，在刻蚀通道5的第一端滴入光固化复合树脂7，所述复合树脂的光折射率小于石英基底3的光折射率且粘度小于300cps；待复合树脂从刻蚀通5道的第一端流至刻蚀通道5的第二端，将石英基底3水平静置20～500秒，再将石英基底3放至真空室抽真空；以去除刻蚀通道5内光固化复合树脂7流入导致的残留气体以及光固化复合树脂7中溶解的气体，避免成型后的光波导结构中具有空气层增加光波导的传输损耗。

S4、参见图7，从真空室取出石英基底3，在紫外光源8照射下，光固化复合树脂7固化并与石英芯层61组成完整的光波导结构，参见图8和图9，；可以理解的是，步骤S3中填充也可以选择热固化复合树脂，所选择的光固化复合树脂7或热固化复合树脂要满足粘度低，容易进行灌注；收缩率低，固化后收缩范围小，与石英芯层61外表面紧密贴合；光折射率低，与石英芯层61形成一定的光折射率差。

S5、将石英基底3两端包含有支撑部及通孔的部分去除，打磨后形成光波导。