一种有聚焦能力的光波导制备方法、光波导及频率转换器

本发明涉及光学材料、集成光学，特别涉及一种光波导。

背景技术：

1、非线性光学晶体具有二阶非线性极化响应的特性，光经过非线性光学晶体时，一部分光的频率将发生改变、以新的振动频率向前传播，因此，非线性光学晶体广泛用作光学频率转换器、制备成为光波导，应用到具体的集成光路组件中，用以扩展光的波长范围、调制光的强度和相位等参量。

2、在上述光的非线性转换过程中，非线性光学晶体中变频光的强度与基频光功率密度的平方成正比，光的转换效率也与非线性光学晶体中基频光的功率密度成正比，而光波导中基频光的功率密度与基频光功率成正比、与光波导的传输横截面面积成反比。因此，以非线性光学晶体作为基质制备光波导，将其应用在具体的集成光路中作为光频率转换器能帮助光路获得更优异的非线性性能，方便获得体积小巧，结构紧凑的光器件，更易于片上集成。

3、为进一步提升以非线性光学晶体制备的光波导的频率转换效率，现有技术中常常使用的方法是进一步缩小光波导的核心的尺寸，以求进一步降低光波导的传输横截面的面积。然而，缩小光波导横截面面积以提升光波导的频率转换效率的方法不仅对光波导的制备技术提出了更高要求，制备得到的光波导由于核心截面较小，现有的光波导端面耦合设备由于输出的光斑尺寸较大，也难以与之匹配，端面耦合设备与光波导之间耦合效率低下，光于此处存在严重损耗。

技术实现思路

1、基于此，有必要提供一种以非线性光学晶体为基质的光波导的制备方法，以该制备方法制备的光波导结构具备聚焦能力，在不缩减光波导核心的截面尺寸的前提下约束光场向光波导的中心汇聚，提升光波导自身的频率转换效率，以方便将其作为频率转换器应用到具体的光路中，帮助提升整体光路的光频率转换效率。

2、本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种有聚焦能力的光波导制备方法，该方法包括以下步骤：

4、s1：加工准备：准备加工所需的非线性光学晶体，确定加工所需的重离子种类以及辐照过程相关参数大小；

5、s2：高能离子辐照：加速重离子使其携带高能量，使用该高能重离子轰击非线性光学晶体，沿深度方向在非线性光学晶体的第一深度处形成第一折射率下降峰，并得到一次加工晶体；

6、s3：次高能离子辐照：加速重离子使其携带次高能量，使用该次高能重离子轰击一次加工晶体，沿深度方向在一次加工晶体的第二深度处形成第二折射率下降峰；获得二次加工晶体；

7、s4：表面图案化加工：自顶向下沿光束传播方向分割二次加工晶体，获得成型的光波导。

8、选用合适的重离子，将重离子加速至合适的速度水平，此时的重离子束将携带一定大小的能量，使用该载能离子束轰击非线性光学晶体，则载能离子束与非线性光学晶体相互作用，辐照离子的电子能量损伤对材料结构和材料折射率的改变起到主要作用，非线性光学晶体受轰击部分的折射率将明显改变。

9、对某些辐照离子，光学晶体材料的电子阻止能力se存在一个非晶阈值seth，电子阻止能力se超过该非晶阈值seth，辐照离子会在光学晶体中形成准连续的非晶径迹，该径迹截面半径r与se的大小相关联。而经过快重离子辐照处理后，光学晶体的介电常数ε在宏观上表现为非晶径迹与原始介电常数的加权平均：

10、

11、这其中，非晶权重系数f与当前重离子的辐照剂量φ以及非晶径迹的截面面积成正比：

12、f∝φπr2

13、由上式不难看出，形成的非晶径迹对材料折射率产生的影响非常显著，所以只需要极低的辐照剂量，就足以引起与高剂量离子注入等效的折射率变化。

14、调节离子束的载能量，使得离子束携带高能量，对非线性光学晶体单独使用高能离子辐照，则携带了高能量的离子束将在非线性光学晶体上造成电子损伤，非线性光学晶体经受高能离子辐照后，被辐照部分折射率发生改变，在第一深度处出现第一折射率下降峰，该第一深度的具体数值与本次高能辐照过程中离子束携带的能量大小直接相关。高能离子辐照加工对非线性光学晶体的折射率影响如图1。

15、图1为单独实施s1加工准备以及s2高能离子辐照加工后，受辐照的非线性光学晶体沿其深度方向的折射率变化示意图，图中横坐标为具体实施加工的非线性光学晶体的深度值，纵坐标为非线性光学晶体的相对折射率。从图1中可清楚看出，受高能离子束辐照的影响，非线性光学晶体的折射率发生改变，沿非线性光学晶体的表面向其深度方向不断深入，晶体折射率呈现逐渐下降后逐渐上升的趋势，并在第一深度d1处出现第一折射率下降峰。

16、同理，调节离子束的载能量，使其低于高能离子辐照过程中离子束的载能量；使用该次高能离子束辐照非线性光学晶体，则携带了次高能量的离子束将同样在非线性光学晶体上造成电子损伤，非线性光学晶体被辐照部分中将同样出现折射率改变的情况，在第二深度处出现第二折射率下降峰，该第二深度的具体数值与本次次高能辐照过程中离子束携带的能量大小同样直接相关。次高能离子辐照加工对非线性光学晶体的折射率影响如图2。

17、图2为对非线性光学晶体单独实施s1加工准备以及s3：次高能离子辐照加工后，受辐照的非线性光学晶体沿其深度方向的折射率变化示意图，图中横坐标为具体实施加工的非线性光学晶体的深度值，纵坐标为非线性光学晶体的相对折射率。从图2中可清楚看出，受次高能离子束辐照的影响，非线性光学晶体的折射率发生改变，沿非线性光学晶体的表面向其深度方向不断深入，晶体折射率呈现逐渐下降后逐渐上升的趋势，并在第二深度d2处出现第二折射率下降峰。

18、叠加上述高能离子辐照以及次高能离子辐照过程，则两次离子辐照过程将分别在非线性光学晶体上造成电子损伤，且每一电子损伤均对应引起非线性光学晶体的折射率变化。由于离子辐照后晶体折射率下降峰的深度与离子束携带的能量大小直接相关，因此叠加上述高能离子辐照以及次高能离子辐照后，高能离子辐照过程在非线性晶体折射率下降峰与次高能离子辐照过程在非线性晶体折射率下降峰错开，非线性光学晶体中呈现出两个下降峰共存的状态。叠加上述高能离子辐照以及次高能离子辐照对非线性光学晶体的折射率影响如图3。

19、图3为对非线性光学晶体单独实施技术实现要素：中提供的有聚焦能力的光波导制备方法中的s1-s3加工后，该非线性光学晶体沿其深度方向的折射率变化示意图，图中横坐标为具体实施加工的非线性光学晶体的深度值，纵坐标为晶体的相对折射率。从图3中可清楚看出，受两次离子辐照的影响，沿非线性光学晶体的表面向其深度方向不断深入，晶体相对折射率先不断下降，到第二深度d2处时出现第二折射率下降峰，随后晶体相对折射率逐渐上升再逐渐下降，到第一深度d1处出现第一折射率下降峰，随后再逐渐上升，沿非线性光学晶体的表面向其深度方向不断深入，晶体相对折射率变化大致呈现为“w”型变化。

20、这样制备得到的光波导，光沿光波导的光输入面耦合进入后，由于晶体的相对折射率在达到第一深度d1前不断下降、在越过第二深度d2后不断上升，则耦合到光波导中的光必然只能在非线性光学晶体的第一深度d1与第二深度d2之间传输，可将非线性光学晶体的第一深度d1与第二深度d2之间的区域视为波导核心wgcore；耦合到光波导中的光在波导核心wgcore中传输时，又由于非线性光学晶体的第一深度d1与第二深度d2之间的相对折射率逐渐上升后又再逐渐下降，则光在波导核心wgcore传输时，将呈现出向波导核心wgcore晶体折射率较高处汇聚的形态；这样一来，采用本发明提供的制备方法制得的光波导在具体应用时，耦合到该光波导中的光自然沿其波导核心wgcore传输，且在波导核心wgcore中传输时，光还呈现出聚焦效应；无需人为缩小光波导的核心尺寸，也能实现光在晶体中传输时基频光的功率密度的大幅提升，进而有效提升了利用该制备方法制备得到的光波导的光频率转化效率，避免了现有技术中因缩减光波导的核心尺寸而引起的制造难度高、端面耦合效率低等问题。

21、可选地，s2：高能离子辐照具体包括以下子步骤：

22、s21：将非线性光学晶体置于辐照靶室中；

23、s22：利用高能离子加速器加速重离子使其携带高能量；

24、s23：使用具备能量e1的重离子轰击非线性光学晶体，沿非线性光学晶体的深度方向形成第一光位垒，第一光位垒在非线性光学晶体的第一深度d1处存在第一折射率下降峰；辐照结束得到一次加工晶体。

25、可选地，s3：次高能离子辐照具体包括以下子步骤：

26、s31：将一次加工晶体置于辐照靶室中；

27、s32：利用高能离子加速器加速重离子使其携带次高能量；

28、s33：使用次高能离子束轰击一次加工晶体，沿一次加工晶体的深度方向形成第二光位垒，第二光位垒在一次加工晶体的第二深度d2处存在第二折射率下降峰，辐照结束得到二次加工晶体。

29、可选地，s2高能离子辐照与s3次高能离子辐照中使用的重离子种类相同。

30、重离子种类将决定下降峰宽度wb，s2高能离子辐照与s3次高能离子辐照中使用同种重离子，则如图1中呈现的第一光位垒b1的宽度wb1将与如图2中呈现的第二光位垒b2的宽度wb2大小一致，叠加高能离子辐照以及次高能离子辐照过程对非线性光学晶体进行加工后，同时存在在一块光波导上的第一光位垒b1将与第二光位垒b2将大致对称分布，方便取得优质的光传输效果。

31、可选地，高能离子束携带的能量大于次高离子束携带的能量。

32、可选地，s1：加工准备具体包含以下子步骤：

33、s11：从原石上切割出规则形状的料块作为原始非线性光学晶体；

34、s12：对原始非线性光学晶体的上表面、光输入端面以及光输出端面进行表面抛光，得到加工所需的非线性光学晶体；

35、s13：根据对成型光波导的导光需求选择重离子种类；

36、s14：分析成型光波导需求的第一光位垒b1，根据第一折射率下降峰的深度位置d1大小确定高能量e1的大小；

37、s15：分析成型光波导需求的第二光位垒b2，根据第二折射率下降峰的深度d2大小确定次高能量e2的大小。、

38、可选地，s4：表面图案化加工具体包括以下子步骤：

39、s41：利用表面刻蚀设备在二次加工晶体的上表面蚀刻出第一光波导侧边；

40、s42：利用表面刻蚀设备在二次加工晶体的上表面蚀刻出第二光波导侧边，以第一光波导侧边与第二光波导侧边围合部分作为成型的光波导。

41、可选地，第一、二光波导侧边从二次加工晶体的光输入端面延伸至光输出端面；沿二次加工晶体的光输入端面至其光输出端面，第一光波导侧边依次包括第一输入段、第一过渡段以及第一输出段，第二光波导侧边依次包括第二输入段、第二过渡段以及第二输出段；沿二次加工晶体的光输入端面至其光输出端面，第一输入段与第二输入段之间长度相等、相互平行，第一过渡段与第二过渡段之间长度相等、间距逐渐减小，第一输出段与第二输出段之间长度相等、相互平行。

42、利用本发明提供的制备方法制得的光波导应用到实际中时，由于第一过渡段与第二过渡段之间长度相等、间距逐渐减小，则第一输入段与第二输入段之间的间距将明显宽于第一输出段与第二输出段之间的间距，将端面耦合设备设置于光波导的光输入面一侧，则光耦合到光波导中后，将首先在较宽的第一输入段与第二输入段之间传输，经过第一过渡段与第二过渡段处时，光传输的通道横向收窄，光在宽度方向上也逐渐聚焦，最终从第一输出段与第二输出段之间输出，向下一级光路器件传递。

43、本发明中还提供一种光波导，光波导采用如上的有聚焦能力的光波导制备方法制备得到。

44、本发明中还提供一种频率转换器，频率转换器包含如上的光波导。

45、本发明技术方案的有益效果为：重离子辐照过程将改变被轰击处的非线性光学晶体的折射率，调整前后两次辐照处理时重离子携带的能量大小，利用前后两次不同能量的重离子辐照，在非线性光学晶体上形成两个明显的光位垒，两个光位垒之间晶体的折射率渐变且相对增高，形成明显的夹层型光波导结构，光在该夹层型波导结构中传输时，受晶体折射率的影响将向两个光位垒之间汇聚，因此可以说，上述制备方法在非线性光学晶体中构建了全新的折射率分布，由该方法制备得到的光波导结构将具备聚焦能力，能约束光场向光波导的中心汇聚，极大提升了光在晶体中传输时基频光的功率密度，进而有效提升了利用该制备方法制备得到的光波导频率转换器的转化效率。