飞秒激光在透明介质材料内部制备光波导研究

摘要

在集成光路中，光波导是最为基本的元件。光波导由折射率较高的芯层和折射率较低的包层构成。基于基础的波导结构，可以在多种材料上面制备各种功能的光学器件装置，例如，光栅，光耦合器，光分束器，光增强器和激光振荡器等。在这些装置中，光波导分束器能够将单个输入信号转变为多个信号输出，是集成光路中至关重要的一种器件。液相外延，离子束曝光，离子/质子交换和飞秒激光刻蚀等一些方法已经被广泛应用于光波导的制备。在这些技术中，飞秒激光刻蚀是高效廉价的光波导制备方法，并可应用于不同材料中的加工。飞秒激光微加工的广泛应用是因为其独有的几大优势，例如:对加工区域外接近零损伤，高精度和三维加工能力等。通过将激光聚焦于样品内部，可以在不损伤样品表面的情况下，直接与样品表面之下形成波导结构。在激光焦点处或焦点两旁会产生折射率的上升，这样就可以诱导出多种波导结构。目前，使用飞秒激光微加工制备得到的光波导有4种类型，称为一类，二类，三类，四类光波导。其中一类光波导为激光焦点与材料作用时，诱导该区域材料折射率升高，形成波导芯层结构。基于一类波导，人们已成功在熔融石英和聚合物PMMA中制备得到管状波导，对称波导，耦合器和分束器等一系列结构。本文研究了飞秒激光作用参数（脉冲频率，脉冲能量）和写入速度对制备光波导的影响，并对其机理进行了分析研究。基于制备得到的一类波导结构，我们成功设计并加工出不同分束比例的波导分束器。本文的工作主要集中在下面几个方面:
　　(1)通过飞秒激光直写在熔融石英玻璃内部制备出一类光波导和1×2，1×4波导分束结构。实验研究了5 mm/s扫描速度下，不同脉冲频率，不同脉冲能量，狭缝修饰以及退火作用对波导端面的整形作用和损耗的影响。实验在50 KHz脉冲频率，5 mm/s扫描速度，2.28μJ脉冲能量下，得到最小插入损耗为2.84 dB的一类波导结构。基于该条件，制备得到损耗为7.02 dB，分束比为1∶1的1×2波导分束结构和损耗为8.18 dB，分束比为1∶0.95∶1∶0.95的1×4波导分束结构。
　　(2)通过飞秒激光直写在聚合物PMMA内部制备出一类光波导和分束比分别为1∶1和1∶2的波导分束结构。实验选用1MHz脉冲频率，研究了不同脉冲能量和扫描速度对波导端面和损耗的影响。在1MHz脉冲频率，185 nJ脉冲能量和4mm/s扫描速度下，得到最小插入损耗为4.32 dB的一类波导结构。基于此条件，制备得到分束比为1∶1的1×2分束器和分束比为1∶0.93∶1∶0.95的1×4分束器。然后根据不同扫描速度下，所诱导波导区域折射率改变程度不同，进而产生不同的波导损耗的特点，分别使用4 mm/s和6mm/s扫描速度，制备得到分束比为1∶1.96的分束器，实现了分束比例可调的分束器结构。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第二章 光波导的基本结构，制备材料及方法

2．1 光波导的发展历程

2．2 光波导的基本结构

2．3 光波导的制备材料及方法

第三章 光波导的特征参数，测量方法和模拟

3．1．光波导近场强度分布的测量

3．2 光波导的损耗及计算方法

3．3 光波导的模拟

第四章 飞秒激光在熔融石英玻璃内部制备光波导的研究

4．1 飞秒激光在熔融石英玻璃内部光波导的制备研究

4．2 熔融石英光波导参数的测试结果与分析

4．3 熔融石英内制备光波导的实验意义

第五章 飞秒激光在聚合物PMMA内部制备光波导的研究

5．1 飞秒激光在聚合物PMMA内部光波导的制备研究

5．2 PMMA光波导参数的测试结果与分析

5．3 PMMA内制备光波导的实验意义

第六章 总结

参考文献

致谢

在学期间发表的论文

附录：在学期间发表的英文文献