波导光路的飞秒激光加工机理与纳米精度控制研究

集成光子器件是光电子技术发展的前沿，波导光路是集成光子器件的核心，其制造精度决定了器件的工作性能。近年来飞秒激光加工的研究进展预示了飞秒激光用于波导光路制造的可能性和优越性。.本项目以阐明波导光路的飞秒激光加工机理和寻求精度控制方法为目标，以飞秒激光改性区物质微观结构变化为核心，研究光波电磁场对波导材料中电子的作用机理，揭示应力场和缺陷的分布对物质近程微观结构中键长、键角及晶格场中电子能级结构变化的相关机制与规律；阐明波导材料微观结构对光路折射率、光子传输速率和吸收率等性能的影响机制；查找微观结构演变对工艺参数变化的响应机制与规律，研究飞秒激光加工工艺对波导光路制造精度的影响规律，为飞秒激光加工波导光路工艺参数的选择提供依据。为自主开发下一代集成光子器件的飞秒激光纳米加工技术提供理论基础。

飞秒激光加工是制造光波导等光电子器件的先进方法，其制造工艺简单，但原理复杂，加工精度还有待于进一步提高。本项目理论上分析波导材料对飞秒激光非线性吸收的动力学过程及能量输运机制，发现提高能量耦合效率的方法包括在材料方面，提高材料本征电子浓度，提高雪崩系数，提高多光子吸收系数和降低带隙宽度。在激光方面主要提高激光功率并降低激光频率。实验上，首先构建了飞秒激光加工系统，可实现样品的五维精确定位。利用上述飞秒激光加工系统，研究波导材料改性后的微观结构变化，将被加工样品进行微区XPS面扫描测试，由测试结果知，Si2P态电子与O1S态电子在光纤表面均匀分布，说明飞秒激光在光纤端面的加工没有对材料的Si—O化学键产生明显破坏。再将样品进行微区拉曼测试，发现随着入射光强的增强， BO弯曲振动方向有变化，且BO拉伸振动加剧，但共价电子局域化程度仍较强。飞秒激光辐照到光纤后，引起了光纤材料分子分布的变化，使光纤功能特性（有效折射率和损耗）发生变化。当激光辐照密度较高时，改性区内物质组织状态发生变化，形成了微颗粒分布，可对入射光造成散射，使光纤产生附加损耗。当脉宽大于一定阈值时，约10ps时，激光对材料仅存在破坏性加工，而不存在改性的弱加工。将激光聚焦到透明介质表面，可实现对表面的材料去除，随样品表面远离束腰位置近线性增大，因此在加工过程中必须精确控制样品与束腰的相对位置，才能实现高精度与高重复性加工，当样品速度大于1mm/s时，加工宽度明显降低。飞秒激光直写采用纵向写入方式加工时得到了宽度为10um以内对称性较好的光波导。而横向写入方式加工的波导长度不再受聚焦物镜工作距离的限制，理论上可以加工任意长度的光波导。但是，横向写入方式的缺点是加工的波导横截面呈现狭长椭圆形状，这种波导横截面的不对称会增大波导的传输损耗，使传输模式变差，影响光波导的导光性能。通过改变激光焦点处的光强分布方法来控制加工波导横截面的长宽比。在实验中，采用了利用狭缝对光束进行整形的方法，当狭缝宽度a=0.3mm时其加工的界面已经接近圆形。在此基础上我们采用这种改进的横向写入方式加工了一分二光波导。在光纤改性加工器件方面，实现了在SMF-28e中刻写长周期光纤光栅通过调整器件的占空比，可以实现在高能量加工的条件下降低器件的背景损耗。通过改变改性区在纤芯内的填充状态和分布。