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      一種片上硫系倒脊型光波導(dǎo)及其Bragg光柵制備方法

      文檔序號:40450875發(fā)布日期:2024-12-27 09:15閱讀:8來源:國知局
      一種片上硫系倒脊型光波導(dǎo)及其Bragg光柵制備方法

      本發(fā)明涉及硫系光子學(xué),特別是涉及一種片上硫系倒脊型光波導(dǎo)及其bragg光柵制備方法。


      背景技術(shù):

      1、硫系光子學(xué)已成為當(dāng)前國際上光子功能器件研究和開發(fā)最活躍的前沿領(lǐng)域之一,其集成光子器件近年來在集成光子器件研究領(lǐng)域備受關(guān)注,在光信息處理芯片和系統(tǒng)應(yīng)用方面體現(xiàn)出多譜段、低閾值和多功能集成的優(yōu)勢,可實現(xiàn)超連續(xù)光譜、布里淵散射、波長轉(zhuǎn)換等作用。硫系玻璃是以硫族元素s、se、te為基,結(jié)合as、sb、ge、ga等其他元素后制成的,具有高線性折射率和極高的非線性折射率、超快的非線性響應(yīng)、寬廣的紅外透射窗口等優(yōu)良光學(xué)特性,是一種新型的近中紅外波段集成光子器件基質(zhì)材料。硫系光波導(dǎo)是硫系集成光子器件芯片的關(guān)鍵基礎(chǔ),其構(gòu)建為線性器件,可用于近中紅外波段的光傳輸及紅外傳感等方面;而構(gòu)建為非線性器件,具有高出石英玻璃102~103倍的光學(xué)非線性系數(shù),且由于硫系玻璃有較高的彈光系數(shù)(是硅材料的10倍)、極其優(yōu)秀的聲學(xué)模式約束能力、光通信波段極低的雙光子吸收系數(shù)和無自由載流子效應(yīng)而表現(xiàn)出非線性損耗低等優(yōu)點,在實現(xiàn)高增益受激布里淵散射方面有著廣泛應(yīng)用。

      2、基于硫系光波導(dǎo)的bragg光柵在中紅外光學(xué)傳感、光學(xué)濾波器、激光器、相干光通信系統(tǒng)、精密光譜學(xué)和微波光子學(xué)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景,同時因硫系波導(dǎo)光柵的尺寸是亞微米級,可以集成在芯片上,適于器件片上集成化、小型化的需求。目前,基于硫系光波導(dǎo)的bragg光柵芯片制備方面研究甚少,主要因傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的硫系光波導(dǎo)制備過程繁瑣,且傳輸損耗高,約為0.5~5db/cm,導(dǎo)致光柵質(zhì)量差及光譜性能不佳。


      技術(shù)實現(xiàn)思路

      1、本發(fā)明的目的是提供一種片上硫系倒脊型光波導(dǎo)及其bragg光柵制備方法,在倒置結(jié)構(gòu)的亞微米片上硫系脊型光波導(dǎo)上制備bragg光柵,具有亞微米尺寸、光譜性能更優(yōu)良的特點,能夠滿足集成光子器件對于小型化、集成化、高效化的要求。

      2、為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明提供了如下方案:

      3、一種片上硫系倒脊型光波導(dǎo),包括襯底層以及設(shè)置在襯底層上的波導(dǎo)層,所述波導(dǎo)層包括橫向的平板層和縱向的脊部,所述平板層和脊部一體化成型,并呈t型;所述波導(dǎo)層的脊部嵌入所述襯底層中,形成倒脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu);

      4、其中,所述波導(dǎo)層采用as2s3,所述襯底層采用sio2;

      5、利用443nm波長帶隙光作為曝光源,從波導(dǎo)層的平板層的表面照射,在波導(dǎo)層的脊部刻寫形成bragg光柵。

      6、進一步地,所述導(dǎo)波層的脊部的脊高h為950nm、脊寬w為1500nm,脊深h為800nm。

      7、本發(fā)明還提供一種如上述的片上硫系倒脊型光波導(dǎo)的bragg光柵的制備方法,包括以下步驟:

      8、s1,采用真空電阻加熱蒸鍍法制備設(shè)定厚度的as2s3硫系玻璃薄膜;

      9、s2,利用波長為443nm波長帶隙光作為曝光源,研究as2s3硫系玻璃薄膜在帶隙光作用下的光敏性,獲得折射率隨光照時間變化規(guī)律,作為光刻寫光柵的實驗數(shù)據(jù);

      10、s3,采用類大馬士革鑲嵌工藝,按設(shè)計的片上硫系倒脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù),在襯底層上沉積as2s3硫系玻璃薄膜,形成波導(dǎo)層,得到片上硫系倒脊型光波導(dǎo);

      11、s4,在光學(xué)防震平臺上搭建sagnac干涉儀組成的光柵寫入系統(tǒng);

      12、s5,在sagnac干涉儀組成的光柵寫入系統(tǒng)中,基于s2中的光刻寫光柵的實驗數(shù)據(jù),利用443nm波長帶隙光作為曝光源,從s3得到的波導(dǎo)層的平板層的表面照射,在波導(dǎo)層的脊部刻寫形成bragg光柵。

      13、進一步地,所述s1中,設(shè)定厚度為1.8μm。

      14、進一步地,所述s4中,sagnac干涉儀組成的光柵寫入系統(tǒng)包括:寫入激光光源、擴束準(zhǔn)直組、衰減器、光圈、電子快門、柱面透鏡、±1衍射級相位掩膜板、兩個反射鏡、遮光模板、波導(dǎo)芯片夾持具、光譜監(jiān)測系統(tǒng),所述波導(dǎo)芯片夾持具用于夾持片上硫系倒脊型光波導(dǎo);

      15、所述寫入激光光源采用he-cd激光器,選用443nm波長帶隙光作為曝光源,曝光源依次經(jīng)過擴束透鏡組、衰減器、光圈、電子快門組成的望遠鏡系統(tǒng)擴束后,通過柱面透鏡后,進入±1衍射級相位掩膜板發(fā)生+1、0、-1三級衍射,其中0級光束被擋住,+1和-1級光束經(jīng)傾斜設(shè)置于片上硫系倒脊型光波導(dǎo)上、下方的兩個反射鏡兩次反射后,最后聚焦在片上硫系倒脊型光波導(dǎo)的平板層表面形成相干聚焦光斑。

      16、進一步地,所述柱面透鏡的焦距為長60cm。

      17、進一步地,所述光譜監(jiān)測系統(tǒng)包括單模光纖以及與單模光纖連接的放大自發(fā)輻射光源ase、光譜儀osa,所述單模光纖置用于與片上硫系倒脊型光波導(dǎo)實現(xiàn)端面耦合,在光譜監(jiān)測系統(tǒng)中,選用1520~1700nm帶寬放大自發(fā)輻射光源ase,通過單模光纖耦合進出片上硫系倒脊型光波導(dǎo),由光譜儀osa測試光柵透射譜。

      18、進一步地,所述s5,在sagnac干涉儀組成的光柵寫入系統(tǒng)中,基于s2中的光刻寫光柵的實驗數(shù)據(jù),利用443nm波長帶隙光作為曝光源,從s3得到的波導(dǎo)層的平板層的表面照射,在波導(dǎo)層的脊部刻寫形成bragg光柵,具體包括:

      19、s501,將片上硫系倒脊型光波導(dǎo)放置在波導(dǎo)芯片夾持具上,與光譜監(jiān)測系統(tǒng)置于精密位移平臺上的單模光纖實現(xiàn)端面耦合;

      20、s502,調(diào)整光路,使得曝光源的光束在波導(dǎo)層的平板層表面形成高為1mm、長為8mm的相干聚焦光斑;

      21、s503,通過衰減器控制曝光源強度,調(diào)整兩反射鏡夾角從而改變干涉角度來設(shè)置光柵bragg中心波長;

      22、s504,電子快門控制刻寫時間,實現(xiàn)脊部的折射率調(diào)制,在片上硫系倒脊型光波導(dǎo)的脊部內(nèi)形成bragg光柵結(jié)構(gòu);在刻寫過程中,光譜儀osa監(jiān)測光柵透射光譜。

      23、進一步地,所述s503,通過衰減器控制曝光源強度,調(diào)整兩反射鏡夾角從而改變干涉角度來設(shè)置光柵bragg中心波長,具體包括:

      24、通過衰減器控制兩反射鏡發(fā)射的兩路光束強度各為4mw,調(diào)整兩反射鏡夾角約為88.5°。

      25、進一步地,所述s504中,電子快門控制刻寫時間為65s。

      26、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實施例,本發(fā)明提供的片上硫系倒脊型光波導(dǎo)及其bragg光柵制備方法公開了以下技術(shù)效果:

      27、(1)在倒置結(jié)構(gòu)的片上as2s3硫系倒脊型光波導(dǎo)上制備bragg光柵,該波導(dǎo)的波導(dǎo)層脊部沉積于襯底層中,不需要脫模和封裝保護層,具有低的波導(dǎo)傳輸損耗(小于0.2db/cm),另外,在刻寫光柵時,曝光源從波導(dǎo)層的平板層表面照射,不同于傳統(tǒng)脊型結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)的光源從脊區(qū)面照射。

      28、(2)在亞微米尺寸片上as2s3硫系倒脊型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上制備bragg光柵,曝光源的光滲透深度只需要1.5~2μm深,所以選擇具有高光敏性的443nm波長帶隙光作為曝光源,刻寫時間只需要幾十秒,這與在硫系玻璃光纖結(jié)構(gòu)上刻寫光纖光柵不同,商業(yè)化的as2s3光纖包層直徑為140~170μm,光滲透深度需要有70~85μm深,曝光源一般須選用遠離帶隙光的長波長光源,光才能達到光纖纖芯,這種曝光源呈現(xiàn)較弱的光敏性,刻寫時間要高達幾十分鐘甚至幾小時。

      29、(3)選用硫系玻璃的443nm波長帶隙光作為曝光源,制備了片上as2s3硫系倒脊型光波導(dǎo)bragg光柵,刻寫時間約65s,獲得高質(zhì)量的光柵光譜,其透射峰值達到約-28db,反射率高達99.8%,光柵帶寬約0.95nm,該硫系光波導(dǎo)bragg光柵具有良好的光譜性能,在中紅外光學(xué)傳感、光學(xué)濾波器、激光器、相干光通信系統(tǒng)、精密光譜學(xué)和微波光子學(xué)等領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景。

      30、(4)本發(fā)明制備的片上as2s3硫系倒脊型光波導(dǎo)bragg光柵具有亞微米尺寸(波導(dǎo)寬度w約950nm、脊高h約1500nm、脊深h約800nm),滿足集成光子器件對于小型化、集成化、高效化的要求,具有片上芯片的優(yōu)點。

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