王少清，孫小燕，夏國才，羅 志

(1．中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙410083;

2．中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410083)

1 引言

1996年，飛秒激光首次被證實(shí)能夠在透明介質(zhì)內(nèi)部制備光波導(dǎo)［1］，隨后國內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究。光波導(dǎo)可以通過基質(zhì)表面沉積、表面構(gòu)造以及內(nèi)部構(gòu)造得到［2－4］，與紫外曝光、離子擴(kuò)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(dǎo)在室溫環(huán)境下進(jìn)行，過程簡單，可以實(shí)現(xiàn)三維溝道波導(dǎo)的制作，穩(wěn)定性較好，這對(duì)于制作高集成度、高復(fù)雜度和低成本的光波導(dǎo)器件具有重要應(yīng)用價(jià)值。

在波導(dǎo)制備中，影響光波導(dǎo)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(guān)于波導(dǎo)制作方式及波導(dǎo)傳輸損耗測量的研究［8－11］，但對(duì)于加工工藝參數(shù)對(duì)波導(dǎo)損耗的影響未進(jìn)行更深入的研究，而波導(dǎo)的光學(xué)損耗是衡量其質(zhì)量高低的重要指標(biāo)。因此深入探討波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及參數(shù)與損耗的關(guān)系是至關(guān)重要的，它可以為設(shè)計(jì)和制造性能優(yōu)良的光波導(dǎo)提供理論指導(dǎo)。

光波導(dǎo)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(dǎo)方法的效率和質(zhì)量，因而有較高的研究價(jià)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(dǎo)的損耗情況，獲得波導(dǎo)傳輸損耗最優(yōu)化的加工工藝參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(lán)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(shí)間為120 fs，重復(fù)頻率1 kHz。采用圓形漸變?yōu)V光片對(duì)激光能量進(jìn)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(shí)為了得到更好的光斑形狀，針對(duì)不同數(shù)值孔徑的物鏡，引入了300～350μm的狹縫對(duì)聚焦光斑進(jìn)行光束整形［16］，使橫向直寫光波導(dǎo)的截面為對(duì)稱圓形，狹縫方向平行于波導(dǎo)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(diǎn)的光斑形狀、位置以及融石英上表面位置，達(dá)到對(duì)加工深度的精確控制，同時(shí)也為后期波導(dǎo)的耦合提供定位支持，并采集波導(dǎo)端面輸出模場圖像。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)端面，通過電腦控制三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，以He－Ne激光傳輸末端CCD采集到的波導(dǎo)輸出模場圖像為參考對(duì)加工波導(dǎo)光路進(jìn)行精確耦合。將采集到波導(dǎo)散射的圖像通過Matlab進(jìn)行圖像處理，獲得波導(dǎo)的傳輸損耗。

圖1 光波導(dǎo)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

飛秒激光橫向直寫融石英加工波導(dǎo)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(huì)對(duì)波導(dǎo)的加工質(zhì)量帶來不同程度的影響。實(shí)驗(yàn)主要通過改變波導(dǎo)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(dǎo)，并進(jìn)行耦合和損耗計(jì)算。

3．1 不同數(shù)值孔徑的聚焦物鏡對(duì)波導(dǎo)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(shí)驗(yàn)使用數(shù)值孔徑為0．25、0．4和0．6的物鏡，當(dāng)激光的平均功率為6 mW，掃描速度取50μm/s時(shí)，加工出來的光波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)耦合的輸出模場效果逐步下降，波導(dǎo)的衍射現(xiàn)象越加明顯［17］。同時(shí)，由圖3可知，光波導(dǎo)的傳輸散射也越來越明顯，此時(shí)測得光波導(dǎo)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(dǎo)的散射情況Fig．3 The scattering situation of opticalwaveguide fabricated by objective lens in different numerical aperture

一般認(rèn)為，材料的加工閾值和燒蝕閾值是由飛秒激光的峰值強(qiáng)度所決定的［18］，當(dāng)激光峰值強(qiáng)度高于加工閾值時(shí)，激光就會(huì)與融石英發(fā)生作用，引起材料的改性。當(dāng)峰值強(qiáng)度繼續(xù)增大，高于材料的燒蝕閾值時(shí)，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(qiáng)度分布，其峰值強(qiáng)度一般只考慮強(qiáng)度分布在強(qiáng)度截面1/e2范圍內(nèi)的光束，即只對(duì)波束腰范圍內(nèi)的光束進(jìn)行分析，其峰值強(qiáng)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(fù)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(qiáng)也迅速增強(qiáng)。如圖4所示，波導(dǎo)的傳輸損耗和峰值光強(qiáng)之間的保持基本一致的增減關(guān)系。

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

實(shí)驗(yàn)中激光加工速度的改變，可視為激光單脈沖作用的重復(fù)頻率，即單位時(shí)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(qiáng)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(dāng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，激光峰值能流密度為2．02×104J/cm2。此時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)端面形狀逐漸由對(duì)稱圓變成其他不規(guī)則形狀，波導(dǎo)表面的散射也更加明顯，如圖6所示，此時(shí)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(dǎo)的散射情況Fig．6 The scattering situation ofwaveguide fabricated at same peak energy density and different Numerical aperture

當(dāng)物鏡的數(shù)值孔徑為0．4時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用功率為5 mW、6 mW和7 mW的激光分別對(duì)融石英進(jìn)行加工。激光功率為7 mW時(shí)，加工的光波導(dǎo)散射與5 mW和6 mW時(shí)相比明顯增強(qiáng)，如圖7所示。

圖7 物鏡數(shù)值孔徑0．4時(shí)波導(dǎo)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(dāng)物鏡數(shù)值孔徑0．4，激光功率為7 mW時(shí)，波導(dǎo)的散射光明顯增強(qiáng)，傳輸損耗迅速增大。此時(shí)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(shí)驗(yàn)加工系統(tǒng)采取了狹縫對(duì)聚焦光斑進(jìn)行整形，激光通過狹縫時(shí)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(dǎo)的過程中，激光平均功率的調(diào)節(jié)范圍為5～10 mW，當(dāng)物鏡的數(shù)值孔徑為0．15時(shí)，在能量范圍內(nèi)均不能制作出可進(jìn)行光傳輸?shù)牟▽?dǎo)。根據(jù)公式(1)，加大激光的輸出功率可以提高其峰值強(qiáng)度以達(dá)到加工的目的。經(jīng)計(jì)算，數(shù)值孔徑為0．25的物鏡，當(dāng)激光功率為6 mW時(shí)，其峰值強(qiáng)度為3．0743×1015W/cm2，對(duì)于數(shù)值孔徑為0．15的物鏡，要達(dá)到相同的峰值強(qiáng)度，激光的輸出功率最小要達(dá)到17 mW。因此數(shù)值孔徑為0．25的聚焦物鏡比較符合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求，加工的光波導(dǎo)截面為對(duì)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(duì)波導(dǎo)傳輸損耗的影響

為了便于觀察和檢測，實(shí)驗(yàn)采用數(shù)值孔徑0．25的聚焦物鏡，當(dāng)激光平均功率為8 mW時(shí)，加工速度為30 μm/s到80 μm/s，步進(jìn)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(dǎo)的耦合情況Fig．8 The coupling situation of waveguide fabricated at different speed

從圖可看出，波導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)逐漸減弱，如圖9所示。

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

利用matlab對(duì)圖9的六組圖片進(jìn)行處理，同時(shí)根據(jù)公式(2)，可得到不同速度下波導(dǎo)的傳輸損耗與激光峰值能流密度的關(guān)系如圖10所示。

圖10 不同加工速度下波導(dǎo)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(diǎn)實(shí)線是光波導(dǎo)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(diǎn)實(shí)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(dǎo)的傳輸損耗減小方向基本一致，當(dāng)掃描速度大于50μm/s時(shí)，波導(dǎo)的傳輸損耗較小，達(dá)到－0．4786 dB/cm，此時(shí)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(dǎo)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(shí)，能加工出損耗較小的波導(dǎo)，考慮到光波導(dǎo)加工的效率和更小能量加工的效果，實(shí)驗(yàn)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(duì)波導(dǎo)傳輸損耗的影響

隨著加工能量的增加，波導(dǎo)傳輸損耗也逐步增加。為了進(jìn)一步探討其增加規(guī)律，實(shí)驗(yàn)采用數(shù)值孔徑0．25的聚焦物鏡，當(dāng)激光加工的速度為50μm/s時(shí)，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(dǎo)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(shí)，融石英端面未能觀測到波導(dǎo)的輸出模場。激光平均功率為5 mW時(shí)，波導(dǎo)端面輸出模場效果較差，波導(dǎo)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(shí)波導(dǎo)端面形貌較圓，隨著能量的增加，激光的峰值強(qiáng)度逐漸變大，波導(dǎo)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(shí)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(dǎo)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(duì)激光的加工及燒蝕閾值都不同，同種材料也會(huì)因加工方式或純度不同引起閾值的波動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)所采用的融石英，當(dāng)激光平均功率在6 mW左右時(shí)加工的波導(dǎo)光路截面呈對(duì)稱圓，其耦合時(shí)波導(dǎo)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合可知，當(dāng)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(dǎo)。

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

4 結(jié)論

本文首先利用飛秒激光橫向直寫方式加工光波導(dǎo)，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(dǎo)，采用散射光測量方法分析了波導(dǎo)的傳輸損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dāng)激光功率為6 mW，物鏡數(shù)值孔徑為0．25時(shí)，要達(dá)到材料的加工閾值，激光的加工速度最大可達(dá)到60．14μm/s。當(dāng)激光的峰值能流密度未達(dá)到融石英的加工閾值時(shí)，波導(dǎo)幾乎不能通光，此時(shí)損耗可視為很大。當(dāng)激光峰值能流密度在融石英加工閾值和燒蝕閾值之間時(shí)，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(qiáng)較弱的光波導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)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(shí)，可以加工出傳輸損耗低于－0．2 dB/cm的光波導(dǎo)。當(dāng)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(dǎo)。當(dāng)激光峰值能流密度超過材料的燒蝕閾值時(shí)，散射光強(qiáng)大幅度增大，無法正常傳輸He－Ne激光。

實(shí)驗(yàn)研究分析了飛秒激光直寫加工波導(dǎo)光路的參數(shù)與傳輸損耗的關(guān)系，探索出加工光波導(dǎo)的優(yōu)化參數(shù)，對(duì)于設(shè)計(jì)和制造性能優(yōu)良的光波導(dǎo)有較好的參考價(jià)值。

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