利用飞秒激光变速扫描降低三维光波导总损耗的方法及应用

本发明属于激光加工，具体涉及利用飞秒激光变速扫描降低三维光波导总损耗的方法及应用。

背景技术：

1、作为集成光子芯片中最基本和重要的元件，光波导(以下简称“波导”)是一个由低折射率包层覆盖的高折射率区域。损耗是波导最基本性质，降低波导损耗具有重要意义。比如，在光通信领域中，低损耗波导能够确保信号在长距离内实现高效传输，降低数据错误和丢失风险；在光学传感、高效能光学器件制造领域中，低损耗波导有助于提高信号质量、器件性能。然而，光在传播过程中，受限于材料的本征吸收、波导本身对光的限制能力等因素，信号强度会产生一定程度的衰减，损耗由此产生。波导损耗主要包括耦合损耗、传输损耗和弯曲损耗。目前，研究者通过设计光波导结构、结合表面处理技术、利用光栅与透镜或者使用光纤插件、定制耦合结构等方式，以最大限度地提高光的耦合效率，降低波导耦合损耗；采用具有较低光吸收和散射的材料制备波导、在光信号传输过程中使用光放大器补偿传输损耗、通过控制波导温度调节其折射率，优化光传输特性等方式提高波导传输效率，从而降低波导传输损耗；采用曲率补偿器件或技术，在弯曲区域附近补偿光相位，在波导的弯曲区域使用低损耗的连接器或接头，以减小弯曲区域对光的影响，从而降低弯曲损耗。

2、然而，以上方法仍存在仅主要降低某种损耗的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种利用飞秒激光变速扫描降低三维光波导总损耗的方法，该方法通过飞秒激光匀速扫描制备直波导，利用截断法测试波导得到其插入损耗与长度关系，从而得到低耦合损耗波导和低传播损耗波导加工参数，随即利用此参数进行飞秒激光变速扫描加工，从而实现波导耦合损耗和传输损耗同时降低的效果。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、利用飞秒激光变速扫描降低三维光波导总损耗的方法，具体包括如下步骤：

4、步骤一：加工前准备；

5、首先，打开加工平台激光器进行预热，使激光器输出稳定；接下来，清洁待加工玻璃样品，防止样品表面污垢影响飞秒激光光束聚焦；随后，将样品固定于样品台；

6、步骤二：样品台的调平；

7、首先，调整激光器出光光路，使激光聚焦于玻璃样品表面；使led照明光透过反射镜m2后聚焦成像到ccd中，并将ccd与电脑pc相连，实时监控样品台的调平过程；接下来，通过调整样品台x和y方向倾角使其水平；最后，当ccd成像系统显示出均匀的玻璃样品表面最小反射光斑时，表明样品台已经相对聚焦激光光束垂直，即完成样品台的调平；

8、步骤三：飞秒激光匀速扫描直波导，并利用截断法测试得到插入损耗随波导长度变化曲线；

9、首先，通过控制精密三维运动平台，将飞秒激光聚焦于玻璃样品预设加工位置；随后，转动激光器前的二分之一波片hwp，调节飞秒激光加工功率；接下来，在电脑pc中加载加工程序，利用电脑pc控制精密三维运动平台，使飞秒激光焦点沿x方向在玻璃样品内进行匀速扫描得到直波导结构；紧接着，对波导端面进行抛光处理，利用截断法测试不同长度波导的插入损耗；最后，将实验数据进行线性拟合，得到插入损耗随波导长度变化曲线；

10、步骤四：飞秒激光变速扫描加工低损耗直波导；

11、首先，选择激光变速扫描的加工参数；随后，通过控制精密三维运动平台，将飞秒激光聚焦于待加工玻璃样品预设加工位置；紧接着，通过转动激光器前的二分之一波片hwp，调节飞秒激光加工功率；接下来，在电脑pc中加载加工程序，利用电脑pc控制精密三维运动平台，使飞秒激光焦点沿x方向在玻璃样品内进行变速扫描，从而在玻璃样品加工出直波导结构。

12、进一步地，步骤二中，所述样品台调平，具体包括如下内容：

13、激光器出射的飞秒激光经由第一凹透镜l1和第二凸透镜l2进行扩束，并依次经由空间光调制器slm、第二凸透镜l3和第三凸透镜l4；接着，激光进入物镜ol，转动激光器出口处的二分之一波片hwp的光轴，使反射镜m1后、物镜ol入瞳前的激光能量为50mw；随后，物镜ol将激光聚焦后入射至样品台上的玻璃样品表面；打开与电脑pc相连的ccd成像系统，具体调平过程如下：定义样品互相垂直的两条边为x轴与y轴，通过电脑pc调节精密三维运动平台在x方向移动，同时调整x方向调平旋钮，重复此过程，直至激光沿x方向移动时，ccd成像系统显示出均匀的玻璃样品表面最小反射光斑，此时x方向调平完毕；同理使样品台y方向水平；最后，通过电脑pc调节三维运动平台使激光沿玻璃样品边缘顺时针或逆时针移动，ccd成像系统显示出均匀的玻璃样品表面最小反射光斑，表明样品台已经相对聚焦激光光束垂直，即完成样品台的调平。

14、进一步地，步骤三中，物镜ol入瞳前飞秒激光功率为200-500mw，重复频率为0.5-2mhz，飞秒激光扫描速度为3-40mm/s，加工深度为0.1-0.2mm。

15、进一步地，步骤三中，利用截断法测试不同长度波导的插入损耗，具体包括如下内容：

16、定义波导传输损耗为a db/m，长度为x，耦合损耗为c db，其插入损耗s(x)表示为：s(x)＝a*xn+c，测试过程中，通过改变xn，得到不同波导长度下的插入损耗，通过线性拟合，即可得到直线截距c和斜率a，即得到了波导耦合损耗和传输损耗；其中，xn为5-50mm。

17、进一步地，步骤四中，所述选择加工参数，具体包括：

18、首先，根据步骤三得到的波导插入损耗随长度变化曲线得到最低耦合损耗波导加工速度、最低单位传输损耗波导加工速度及最低插入损耗波导的加工参数；所述最低插入损耗波导加工参数包括加工功率及重复频率；然后，选择最低耦合损耗波导加工速度为飞秒激光变速扫描的起始速度v1，选择最低单位传输损耗波导加工速度为飞秒激光变速扫描的结束速度v2，选择最低插入损耗波导的加工参数作为飞秒激光变速扫描加工参数。

19、进一步地，步骤四中，所述飞秒激光变速扫描，具体包括如下内容：

20、首先，飞秒激光以v1为初始扫描速度，扫描长度为s1，加速至v2，加速长度为s2，加速完毕后以速度v2继续扫描长度s3；其中，l为波导总长度。

21、进一步地，飞秒激光的扫描速度由v1加速至v2有两种方式：

22、a1：扫描速度与加速长度呈线性关系；

23、a2：扫描速度与加速长度呈非线性关系。

24、进一步地，所述波导长度l为20-60mm。

25、另一方面，本发明还提供了利用飞秒激光变速扫描降低三维光波导总损耗的方法在量子通讯方面的应用。

26、第三方面，本发明还提供了利用飞秒激光变速扫描降低三维光波导总损耗的方法在光纤波导耦合器件方面的应用。

27、与现有技术相比，本发明的优点如下：

28、(1)、本发明利用飞秒激光变速扫描加工波导的方法，相比于传统降低光波导损耗的方法，能同时降低耦合损耗以及传输损耗；

29、(2)、本发明方法不依赖于波导的几何形状或尺寸，这种布局适用于各种类型或路径的波导。