[发明专利]一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种可提供光增益的稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构，尤其涉及一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，属于集成光学陀螺耦合谐振环技术领域。

(二)背景技术

基于近期硅基光子器件的突破进展，未来集成光学陀螺的研究将全光子集成方向发展，也就是将不同的分离器件比如光源、波导环(代替光纤环)、探测器等集成在同一芯片中以减小器件体积，降低成本，实现规模化生产。此外，在光纤陀螺的产品线中，有一种三轴的光纤陀螺，它的三个感应轴使用同一个超辐射发光二极管光源，并把个调制器、分束器、探测器集成到同一个芯片上。

试想，若使用光波导及硅基光子集成技术将三轴谐振式光波导陀螺集成在同一芯片上，那么其体积将进一步大幅减小(微纳米量级)。通常实现光波导小型化有两种不同的途径。第一种是通过增加包层/芯层折射率差值最大限度地缩小光波导尺寸，如被广泛研究的SOI波导结构。然而这种结构的波导集成方式仅限于平面光路(二维)集成且多为无源结构，从而在一定程度上限制了其发展。第二种方式就是在体材料中充分利用其特征实现分层的波导器件集成，也就是本专利申请中提出的一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构用于实现三轴集成光学陀螺。相比硅基薄膜波导，玻璃波导可以方便的引入光增益、可以很好地与标准光纤实现低损耗耦合，因而收到广泛研究重视。玻璃材料也因制备工艺简单、成本低廉而使之为制造低成本光集成器件提供很好的选择。

目前，用于制备玻璃波导结构的主要工艺有：离子注入、离子交换、质子束刻写和飞秒激光刻写等，前两种方法在制备过程中首先需要制备掩膜以控制波导区域，并且多用于平面波导结构(二维)的制备。飞秒激光利用超短激光脉冲聚焦到透明材料内部，在焦点区域产生非线性吸收引起材料结构变化进而产生正折射率变化。通过控制脉冲能量、焦点大小、扫描速度可以方便的实现不同方位(深度)不同尺寸(模式)的波导结构。通过合理设计波导间隔，使之相互达到理想的光隔绝。经过设计模拟波导尺寸，既有可能实现不同功能的光学器件集成在同一块玻璃材料中，实现三维光学集成。

本发明就利用飞秒激光超短脉冲在稀土掺杂玻璃内部刻写不同方向的谐振环结构，实现三维光学集成，和现有平面玻璃光波导谐振环结构相比，此方案将具有较为明显的优势。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法。这一结构可以有效地实现1.54um波段的光增益以补偿结构中的光损耗。这一结构可以用于构建集成化3轴玻璃基光波导陀螺。

2、技术方案：

本发明一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，该方法具体步骤如下：

步骤一、采用传统熔融法制备块状立方体(边长范围：5～50mm)稀土掺杂玻璃作为结构材料。其基质材料是磷酸盐或者铝酸盐玻璃。掺杂稀土元素为铒Er和镱Yb。其中Yb作为Er发光的有效的敏化剂，有助于Er离子在1.5μm波段的受激光发射。玻璃基质中稀土离子掺杂浓度范围为：Er：0.6～10wt％；Yb：1～10wt％。

步骤二、在上述的稀土掺杂玻璃立方体块状材料的3个相互垂直的面下方一定深度(深度0.1≤Z≤1mm)利用飞秒激光分别刻写3个谐振环结构。该谐振环结构由两部分组成：第一部分是圆形或跑道形的谐振腔，第二部分是与前者距离很近，几乎相切的，作为输入(输出)耦合器的两条直波导，如图3所示。由于Er的掺入，在玻璃基质谐振环中传播的信号光获得可控的光放大效应，以补偿光在传播、耦合过程中产生的损耗。这样在3个相互垂直的平面中制备谐振环，可以用来测量沿3个平面法向方向的角速度大小，以实现3轴集成光陀螺。

飞秒激光利用超短激光脉冲聚焦到透明材料内部，在焦点区域产生非线性吸收，进而引起材料结构变化，产生正折射率变化。通过控制脉冲能量(～μJ)、扫描速度(～μm/s)、透镜参数等，可以方便的实现不同方位(深度)不同尺寸(模式)的波导结构。如图2所示，利用飞秒激光实现距玻璃材料表面不同距离的波导，实现不同方向的波导。

3、优点及功效：

本发明一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，它可以得到在1.54μm的光增益，其强度取决于泵浦光强度和稀土离子掺杂浓度大小和比例。稀土离子产生的光增益可以有效地补偿结构中传输光的损耗，增强其作为光波导陀螺的信噪比。因此，将本发明的方案实施于光波导陀螺，可以实现具有高灵敏度的集成化光波导陀螺。

(四)附图说明