CN108303767A - 一种在光波导上制备凹面镜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在光波导上制备凹面镜的方法。该方法包括以下步骤:步骤1,采用v型金刚石刀切割光波导成v型槽,所用v型槽的一面为45°倾斜面,一面为垂直面;步骤2,采用准分子激光器紧邻v型槽的垂直面为一边,刻蚀立方体槽,所述立方体槽宽度为v型槽深度的2/3‑1倍,深度与v型槽深度相同;步骤3,将板件倾斜放置,使得v型槽的倾斜面呈水平状,采用二氧化碳激光器对v型槽的倾斜面进行热加工,使得倾斜面烧蚀成凹面;步骤4,在凹面镀高反射膜形成凹面镜。该方法在金刚石刀制备45°斜面的基础上,进一步地采用二氧化碳激光器对倾斜面进行热加工,由于热加工机理,加工过程具有热退火效用,能够获得粗糙度较低的反射凹面镜。
Description
技术领域
本发明涉及微加工制造领域,提出了一种在光波导上制备凹面镜的方法。
背景技术
目前,基于印刷电路板的光背板(Optics Printed Circuit Board,OPCBs)互连技术得到了很大发展,成为近年来高端设备信息互连技术领域的研究热点,它具有高带宽、低能耗、低成本等优势。以材料类型划分,背板光波导有两大类,一是聚合光波导,二是无机物光波导,如玻璃光波导。
垂直耦合技术是光背板互连应用的关键技术之一,目前有很多方法可以实现光纤-光波导的垂直耦合,如倾斜镜面反射法(申请公布号:CN 105397300A)、弯曲光纤法(High-coupling-efficiency optical interconnection using a 90-bent fiber arrayconnector in optical printed circuit boards)、波导光栅法(申请公布号:CN102540349A)等。但光源、光纤及光波导等光学器件之间数值孔径(NumericalAperture,NA)及模场分布(Mode Field Distribution,MD)的不匹配性往往带来较大的耦合损耗,因此,有的提出在耦合器件中引入凹面镜(专利号:US 6529661B2)或凸透镜(专利申请公布号:CN101813806A)以实现光束汇聚的思想。
截止目前,越来越多制备凹面镜的方法(公开号:CN 1272182A、CN 103395739A,论文:Design and fabrication ofembeddedmicro-mirror inserts for out-of-planecoupling inPCB level optical interconnections)被发掘,但在材料、制备工艺、加工精度等方面存在较多问题,难以满足大批量的光背板工业生产的要求。
申请号201710076388.7,名称为一种基于激光环形刻蚀在光波导上制备球形凹面镜的方法。其加工流程为:在光波导上确定加工区域,根据要加工的反射球形凹面半径R确定激光圆形刻蚀路径半径r’=R/2,反射球形凹面圆心和圆形刻蚀路径圆心重合;选择激光刻蚀掩膜图形,可以为圆形、椭圆形、自由曲线形等;掩模沿圆形刻蚀路径移动,而掩模周边一点始终与反射球形凹面圆心重合;以半径为r,所作的圆周各点刻蚀深度形同,不同ri,刻蚀深度不同;当激光刻蚀旋转一周,形成类似球形的反射凹面;对得到的双侧球形反射凹面进行处理,获得单侧球形反射凹面。此种方法是基于准分子激光的冷加工形式,需要合适的掩膜图形、精确的参数设置及操作,才能获得良好的反射凹面,但反射凹面粗糙度较大,需要后续热退火工艺处理,总体来说,此种方法加工获得凹面粗糙度较大。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种在光波导上制备凹面镜的方法,该方法在金刚石刀制备45°斜面的基础上,进一步地采用二氧化碳激光器对倾斜面进行热加工,由于热加工机理,加工过程具有热退火效用,能够获得粗糙度较低的反射凹面镜。该凹面镜可用于光波导-光纤垂直耦合,提高其垂直耦合效率。
一种在光波导上制备凹面镜的方法,包括以下步骤:步骤1,采用v型金刚石刀切割光波导成v型槽,所用v型槽的一面为45°倾斜面,一面为垂直面;步骤2,采用准分子激光器紧邻v型槽的垂直面为一边,刻蚀立方体槽,所述立方体槽宽度为v型槽深度的2/3-1倍,深度与v型槽深度相同;步骤3,将板件倾斜放置,使得v型槽的倾斜面呈水平状,采用二氧化碳激光器对v型槽的倾斜面进行热加工,使得倾斜面烧蚀成凹面;步骤4,在凹面镀高反射膜形成凹面镜。
作为改进的是,步骤2中立方体槽的宽度为v型槽深度的2/3-1倍,所述刻蚀方式为定点刻蚀。
作为改进的是,步骤3中二氧化碳激光器的参数为激光波长为10.6μm,激光功率为3mw。
作为改进的是,步骤3中二氧化碳激光器的激光需要进行光学变化,使其光斑直径为80μm。
作为改进的是,步骤4中高反射膜为金属膜或反射膜堆。
上述反射膜堆指的是高低折射率交替的全介质多层膜,如G|(HL)SH|A奇数型膜系结构。
进一步改进的是,所述反射膜堆的材料为二氧化钛、二氧化硅、硫化锌或氟化镁。
工作原理:采用v型金刚石刀切割光波导成v型槽,其特点是一面为45°倾斜面,一面为垂直面;采用准分子激光器在紧邻V型槽垂直面区域刻蚀立方体槽,立方体槽宽度约为v型槽深度的2/3-1倍,最终样品形状为“梯”型槽,其特点是,立方体槽深度与v型槽深度一致;把刻蚀好的光波导“梯”型槽样品成45°角放置,如此可使“梯”型槽45°倾斜面变成水平面,再采用二氧化碳激光器对45°倾斜面进行热加工,其激光光斑直径约为80μm,利用红外光的热效应可烧蚀光波导材料,由于激光光斑成高斯分布,其烧蚀效用也不相同,一般为中间深两边逐渐变浅的特点,整体形状为凹面。该凹面镀高反射膜后成凹面镜,可用于光波导-光纤垂直耦合,提高其垂直耦合效率。
有益效果
与现有技术相比,本发明的优势在于:
(1)本发明方法是直接在光波导上进行微加工,操作灵活,且所得凹面镜的结构简单;
(2)采用金刚石刀、准分子激光及二氧化碳激光分步骤加工方式,把冷加工与热加工有机结合,提高了凹面制备工艺的可塑性;
(3)采用二氧化碳激光器对倾斜面进行热加工,加工过程具有热退火效用,能够获得粗糙度较低的反射凹面;
(4)对二氧化碳激光光束进行变化,可精确控制光束光斑直径。
附图说明
图1为本发明采用金刚石刀切割光波导时的结构示意图,其中,1-光波导,2-v型金刚石刀,3-v型刀头;
图2为本发明采用准分子激光器的光波导“梯”型槽的结构示意图,其中,4为光波导立方体槽,5为准分子激光;
图3为本发明步骤3中二氧化碳激光器刻蚀形成凹面的操作示意图,其中,6为二氧化碳激光,7为凹面;
图4为本发明所得凹面镜进行垂直耦合的操作示意图,其中8-接收光纤。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明的凹面镜制备方法进行详细描述和说明,其内容是对本发明的解释而非限定本发明的保护范围。
实施例1
一种在聚合物光波导上制备凹面镜的方法,包括以下步骤:步骤1,采用v型金刚石刀切割光波导成v型槽,所用v型的一面为45°倾斜面,一面为垂直面,如图1所示,光波导1包括四层,从下而上依次为衬底、下包层、芯层和上包层,v型金刚石刀头切割到下包层即可;步骤2,采用准分子激光器紧邻v型槽的垂直面为一边,刻蚀立方体槽,所需激光能量为5mJ,所述立方体槽宽度为v型槽深度的2/3-1倍,深度与v型槽深度相同;步骤3,将板件倾斜放置,使得v型槽的倾斜面呈水平状,采用二氧化碳激光器对v型槽的倾斜面进行热加工,使得倾斜面烧蚀成凹面;步骤4,在凹面镀高反射膜形成凹面镜。步骤2中所述刻蚀方式为定点刻蚀。步骤3中二氧化碳激光器的参数为激光波长为10.6μm,激光功率为3mw,激光烧蚀时间对凹面半径也具有较大的影响,需根据所需要的凹面形状来设置加工时间。步骤3中二氧化碳激光器的激光需要进行光学整形,使其光斑直径为80μm。步骤4中所镀高反射膜,可以是金属膜,也可以是反射膜堆。
对于不同的聚合物,以上各步骤的加工参数,如步骤2中准分子激光强度及加工时间、步骤3中的二氧化碳激光能量及作用时间等,均可做相应的调整。
实施例2
一种在无机材料(如玻璃)光波导上制备凹面镜的方法,制备方法同实施例1基本一致,但需要改变激光加工参数。步骤2中准分子激光器刻蚀立方体槽时,所需激光能量为7mJ之上。步骤3中二氧化碳激光器对v型槽的倾斜面进行热加工烧蚀成凹面时,激光脉冲能量需要增加到102W,且倾斜面烧蚀成凹面后,用FH酸腐蚀,具体的FH酸浓度与腐蚀时间对凹面的半径及粗糙度都有一定影响。再继续进行步骤4,即在凹面镀高反射膜形成凹面镜。
以上具体参数设置,仅是对某一种无机材料光波导的一个具体特例,并不限于本发明其他参数的设置,对于不同的无机材料光波导,具体的激光参数及工艺参数是不同的,需作相应微调。
实施例3
实施例1及实施例2是针对不同材料光波导刻蚀凹面而所作的具体说明,相对于已有凹面制备技术(公开号:CN 1272182A、CN 103395739A,论文:Design and fabricationofembedded micro-mirror inserts for out-of-plane coupling in PCB leveloptical interconnections),本发明克服了材料、制备工艺、加工精度等方面不足与问题,满足大批量的光背板工业生产的要求。技术发明(申请号201710076388.7),是一种冷加工的形式,需要合适的掩膜图形、精准的参数设置和操作,此种方法加工获得反射凹面粗糙度较大,需要后续热退火工艺处理,本发明课题组提出在金刚石刀制备45°斜面上采用二氧化碳激光器进一步对倾斜面进行热加工,加工过程具有热退火效用,能够获得粗糙度较低的反射凹面,从工艺流程来看,操作简单方便,可获得良好的凹面样品。
Claims (6)
1.一种在光波导上制备凹面镜的方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1,采用v型金刚石刀切割光波导成v型槽,所用v型的一面为45°倾斜面,一面为垂直面;步骤2,采用准分子激光器紧邻v型槽的垂直面为一边,刻蚀立方体槽,所述立方体槽宽度为v型槽深度的2/3-1倍,深度与v型槽深度相同;步骤3,将板件倾斜放置,使得v型槽的倾斜面呈水平状,采用二氧化碳激光器对v型槽的倾斜面进行热加工,使得倾斜面烧蚀成凹面;步骤4,在凹面镀高反射膜形成凹面镜。
2.根据权利要求1所述的一种在光波导上制备凹面镜的方法,其特征在于,步骤2中立方体槽的宽度为v型槽深度的2/3-1倍,所述刻蚀方式为定点刻蚀。
3.根据权利要求1所述的一种在光波导上制备凹面镜的方法,其特征在于,步骤3中二氧化碳激光器的激光波长为10.6μm,激光功率为3mw。
4.根据权利要求1所述的一种在光波导上制备凹面镜的方法,其特征在于,步骤3中二氧化碳激光器的激光光斑直径为80μm。
5.根据权利要求1所述的一种在光波导上制备凹面镜的方法,其特征在于,步骤4中所述高反射膜为金属膜或反射膜堆。
6.根据权利要求5所述的一种在光波导上制备凹面镜的方法,其特征在于,所述反射膜堆的材料为二氧化钛、二氧化硅、硫化锌或氟化镁。
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