[发明专利]一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微光学元件技术领域，更具体的，涉及一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法。

背景技术

微光学元件是微光电机系统(MOEMS)的关键元器件，其中微透镜阵列、光栅、光波导等又是微光学元件当中最基本的器件。微光学元件具有体积小、重量轻、设计灵活、可阵列化和易复制等优点，能够起到提高光学系统的传输效率、减轻系统重量、改变输入光的能量分布和相位变化、实现光束变换和光学互联等方面的作用，广泛用于集成光学、光通信、激光光学、全息技术等各个领域中。

目前，在微光学元件的制造方面，采用飞秒激光在透明材料中进行二维或三维光波导刻写的技术已经日趋成熟。早在1996年，Davis等报道了飞秒激光在聚焦点可诱导介质折射率的增加，并进行了相关实验。1999年，Homoelle使用红外飞秒激光在硅玻璃上制作了波导结构，并由此制作出了Y型耦合器。2004年，Yamada等使用波长为800nm，重复频率为1kHz的飞秒激光在玻璃上制作了微型衍射透镜。2009年，Valle等利用商用钛宝石飞秒激光器在玻璃基质上制作了光波导和放大器等。

在国内，从上个世纪末开始，先后有多家科研单位利用自制或进口的商用飞秒激光系统开展飞秒激光制作光子器件的研究工作，侧重于在K9玻璃、玻璃晶体、氟化钙玻璃等材料中进行制作光波导方面的理论和实验研究。

然而，现有的基于飞秒激光的微光学元件制作技术，只能实现对单一功能的微光学器件的制作，但对于将单一功能的微光学元件与其它微光学元件集成的微光学元件产品及其制作方法方面的研究，在国内外却未见相关报道。如果能够实现微透镜与光波导功分器的集成，则能够提高耦合效率，降低整个元件的传输损耗，在实际应用中具有重要作用。但是，对于将多个微光学器件集成在一块基底上的制作技术，在国内外尚属于研究空白。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种微透镜与光波导功分器集成元件及其制作方法。本发明应用离子交换技术，在玻璃基底形成半球型聚焦微透镜阵列，进而利用飞秒激光诱导玻璃基底的内部发生折射率变化，形成微米宽度的光波导功分器，从而实现将微透镜和光波导功分器两种基本微光学元件集成在一块玻璃基底上，生成具有最佳性能的微光学集成器件。

本发明提供了一种微透镜与光波导功分器集成元件，其特征在于，包括：

玻璃基底；

半球型微透镜阵列，所述半球型微透镜阵列通过离子交换形成于所述玻璃基底表面；

光波导功分器，其通过飞秒激光刻写于所述玻璃基底内部形成光波导。

优选地，其中，所述光波导功分器为1×4分路的光功分器。

优选地，其中，所述光波导功分器从所述半球型微透镜阵列的焦点出发形成所述光波导。

优选地，其中，所述玻璃基底的材料为含钠离子自制玻璃。

本发明还提供了上述微透镜与光波导功分器集成元件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：制作玻璃基底；

步骤2：通过离子交换在所述玻璃基底表面形成半球型微透镜阵列；

步骤3：采用飞秒激光以预定的扫描速度和轨迹扫描玻璃基底，诱导所述玻璃基底内部形成光波导功分器。

其中，优选地，步骤1中所述玻璃基底采用含钠离子玻璃材料熔制。

其中，优选地，步骤2中所述离子交换采用铯离子与钠离子作为离子交换对，所述离子交换的交换时间为48小时，交换温度为530℃；并且所述离子交换包括镀钛膜、点状光刻和铯离子钠离子交换步骤。

其中，优选地，步骤3中采用的飞秒激光为单脉冲能量30mJ，光中心波长800nm，脉冲宽度50fs，重复频率为10Hz的钛宝石飞秒激光。并且，进一步优选地，所述飞秒激光经聚焦后扫描玻璃基底，聚焦光斑小于10μm。

其中，优选地，步骤3中利用计算机控制系统控制根据光分路路径控制所述飞秒激光的扫描速度和轨迹，所述预定的扫描速度为350-400μm/s。

其中，优选地，在步骤3中采用透镜成像方法和平行光聚焦法确定半球型微透镜阵列的焦点区间，并控制飞秒激光从焦点出发扫描所述玻璃基底形成光波导。

本发明从离子交换形成半球聚焦微透镜出发，采用飞秒激光诱导玻璃内部发生变化形成光波导，实现微透镜与光波导的对准和耦合，形成最佳性能的微光学集成元件，填补了本领域技术空白。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是本发明实施例所采用的飞秒激光控制系统。

图2是本发明实施例的微透镜与光波导功分器集成元件的结构示意图。