CN115903138A - 蝙蝠型表面纳米轴向光子微腔器件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种蝙蝠型表面纳米轴向光子微腔器件的制作方法，涉及光子器件加工领域，包括：将剥去涂覆层的光纤放置到二氧化碳激光熔接机水平对齐的V字型光纤夹具中固定，将光纤向两端外侧施加预应力使其处于抻紧状态；在光纤上确定蝙蝠型SNAP微腔左右耳翼的目标位置，控制V字型光纤夹具下方微型马达移动，将目标位置移动到二氧化碳激光熔接机的曝光位置，将光斑聚焦在目标位置处光纤表面；根据所需蝙蝠型SNAP微腔的轴向长度和耳翼的ERV高度确定二氧化碳激光曝光功率和曝光时间，分别在左右耳翼对应目标位置处曝光。本方案可利用二氧化碳激光熔接机快速精确的制备从微米到毫米量级轴向尺寸的蝙蝠型SNAP微腔，缩减时间和成本投入。

Description

蝙蝠型表面纳米轴向光子微腔器件的制作方法

技术领域

本申请实施例涉及光子器件加工领域，特别涉及一种蝙蝠型表面纳米轴向光子微腔器件的制作方法。

背景技术

表面纳米轴向光子(Surface nanoscale axial photonics,SNAP)结构微腔是近些年被提出的基于光纤集成的回音壁微腔光子器件，其通过在光纤表面引入微纳米量级的微小半径变化，从而将回音壁模式局域在光纤横截面方向，并可缓慢的沿光纤轴向传输。相比于传统的回音壁微腔，SNAP微腔具有微纳尺寸、超高加工精度(亚埃米量级)、高品质因子(Quality factor,Q值)等优点。特别地，多样的加工技术使得SNAP微腔表面可具有不同的沿光纤轴向的有效半径变化(Effective Radius Variation,ERV)轮廓(后文简称ERV轮廓)，促使不同ERV轮廓的SNAP微腔在光学传感、光学频率疏、光延迟器件等方面表现出巨大的应用价值和潜质。其中，ERV轮廓呈蝙蝠型的SNAP微腔具有轴向模式的基模模场沿光纤轴向呈均匀分布的特点，可使得不同状态的粒子进入SNAP微腔轴向不同位置时，引起基模模场强度发生变化，因而蝙蝠型SNAP微腔在微流体传感中具有重要应用价值，可用于粒子位置追踪、实时定位监测等。

实现蝙蝠型SNAP微腔制备的技术关键，是在光纤表面产生两处呈蝙蝠耳翼形状的ERV凸起，凸起的ERV高度一般只有几个到几十纳米，使得两处凸起之间形成蝙蝠型SNAP微腔器件。在相关技术中，已提出的制备蝙蝠型SNAP微腔的方法主要有二氧化碳激光退火法和飞秒激光直接刻写法。前者二氧化碳激光退火法需要设计复杂的二氧化碳激光光路，且对仪器精度有更高要求，而且还需要手动定位二氧化碳激光在光纤上的聚焦位置，而为了在光纤表面产生蝙蝠型轮廓，通常需要一边二氧化碳激光曝光，一边人为控制拉伸光纤的力度，整体过程操作较为复杂，且难以精确控制SNAP微腔的轴向尺寸。后者飞秒激光直写刻写法需要精确设计飞秒激光在光纤内刻写的路径，以及综合协调飞秒激光脉冲能量、刻写速度等诸多加工参数，由于刻写速度的限制，该加工方法耗时较长。

发明内容

本申请提供了一种蝙蝠型表面纳米轴向光子微腔器件的制作方法，解决相关技术中蝙蝠型SNAP微腔器件制备耗时且轴向尺寸难以灵活可控的问题。所述方法包括：

S1，将剥去涂覆层的光纤放置到二氧化碳激光熔接机的两个水平对齐的V字型光纤夹具中固定，将光纤分别向两端外侧施加预应力使其处于抻紧状态；

S2，在光纤上确定蝙蝠型SNAP微腔的左耳翼和右耳翼的目标位置，并控制所述V字型光纤夹具下方的微型马达移动，将所述目标位置移动到所述二氧化碳激光熔接机的二氧化碳激光聚焦光束的曝光位置，并将光斑聚焦在所述目标位置处光纤的表面；

S3，根据所需所述蝙蝠型SNAP微腔的轴向长度和耳翼的有效半径变化ERV高度确定二氧化碳激光曝光功率和曝光时间，分别在左耳翼和右耳翼对应的所述目标位置处进行曝光，以使目标位置处的光纤表面在激光曝光和受到的预应力作用下产生凸起，在两处凸起的光纤轴向区域形成所述蝙蝠型SNAP微腔。

具体的，将光纤固定在所述V字型光纤夹具中后，控制两个所述微型马达分别向左右外侧各移动50μm，光纤在移动产生的预应力作用下处于抻紧状态。

具体的，设置二氧化碳激光曝光功率为小于标准功率的-40bits到-100bits之间，一次曝光时长小于1s。

具体的，步骤S3包括：确定初始曝光功率、曝光时间以及二氧化碳激光加工参数，在光纤的所述目标位置进行初次曝光；

获取曝光后在所述目标位置的光纤表面产生的ERV高度，根据和目标ERV高度差调整曝光功率、曝光时间以及迭代曝光次数；

继续对所述目标位置进行迭代激光曝光，直至获取目标ERV高度的蝙蝠型耳翼，并记录耳翼曝光参数；其中，曝光功率与光纤直径呈负相关，与ERV高度呈正相关。

具体的，获取一侧蝙蝠型耳翼后，所述方法还包括：控制两个所述微型马达同时向对侧待制作的蝙蝠型耳翼方向移动一个轴向长度，并将其确定为目标曝光位置；

获取所述耳翼曝光参数，并基于所述耳翼曝光参数进行曝光，生成目标ERV高度的蝙蝠型耳翼。

具体的，用于曝光的光纤材料包括二氧化硅材料、聚合物材料、半导体材料和晶体材料。

上述技术方案带来的有益效果至少包括：在制备蝙蝠型SNAP微腔时，直接采用工程基础科学领域常用的科学仪器-二氧化碳激光熔接机作为制备装置，整个操作过程无需额外搭建和制造其他精密科学仪器，操作简单。在制备过程中，利用二氧化碳激光熔接机的V字型光纤夹具和微型马达来控制光纤的左右定向移动，所以微腔轴向长度完全可控。而二氧化碳激光熔接机的二氧化碳激光聚焦光束则可以实现曝光功率和曝光时间完全可控，光纤表面在特定的激光曝光和光纤受到的预应力作用下发生微小形变，形成的两处凸起构成蝙蝠型ERV轮廓的两个耳翼，进而生成对应尺寸的蝙蝠型SNAP微腔。基于本方案可快速精确地制备从微米到毫米量级轴向尺寸的蝙蝠型SNAP微腔，其原理简单，耗时短，且利用现有的集成化设备，避免了复杂的光路调整装置，具有装置简单、制作成本低和成功率高的优势。

附图说明

图1是本申请实施例提供的使用二氧化碳激光熔接机制备蝙蝠型SNAP微腔的结构示意图；

图2是本申请实施例提供的使用二氧化碳激光熔接机制备蝙蝠型SNAP微腔的方法流程图；

图3是本申请实施例提供的制作蝙蝠型SNAP微腔的工艺流程示意图；

图4是本实施例制作的轴向长度为700μm、耳翼的ERV高度为24.3nm的蝙蝠型SNAP微腔的光谱分布图；

图5是本实施例制作的轴向长度为1250μm、耳翼ERV高度为32.4nm的蝙蝠型SNAP微腔的光谱分布图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。

在本文中提及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

如图1是使用二氧化碳激光熔接机制备蝙蝠型SNAP微腔的结构示意图，二氧化碳激光熔接机包括两个水平对齐的V字型光纤夹具(左夹具1和右夹具4)，用来放置待处理的光纤5，V字型光纤夹具安装在两个可水平横向移动的微型马达上(微型马达1和微型马达2)，二氧化碳激光聚焦光束6对称设置在光纤5的纵向空间，该二氧化碳激光聚焦光束6可在纵向方向移动。

如图2所示，是本申请实施例提供的使用二氧化碳激光熔接机制备蝙蝠型SNAP微腔的流程图，步骤包括如下：

S1，将剥去涂覆层的光纤放置到二氧化碳激光熔接机的两个水平对齐的V字型光纤夹具中固定，将光纤分别向两端外侧施加预应力使其处于抻紧状态。

放置在左右V字型光纤夹具之间的是剥去涂覆层的光纤，蝙蝠型耳翼在左夹具1和右夹具4的剥去涂覆层的光纤上生成。放置过程是手动的，蝙蝠型SNAP微腔的轴向长度通常是微米到毫米量级的，为确保过程的精准，所以需要对放置后的光纤进行定位校正，以及产生一定预应力。微型马达定位校正是为了确保轴向尺寸和位置的准确，预应力是为了让光纤被抻紧，确保后续轴向尺寸和曝光的精度。因为光纤是通过释放内部预应力和曝光受热来产生微小凸起形变的，所以预应力需要提前通过外力施加，而曝光受热需要对光纤表面的光斑尺寸大小精准把控，传统的光纤熔接机和二氧化碳激光熔接机虽然都可以对光纤加热或曝光，但二氧化碳激光光斑尺寸更小，普通熔接机的电弧放电区域大，小光斑对产生的ERV高度把控更为精准。

本方案中，光纤抻紧和定位校正过程中，分别控制两个微型马达分别向左右外侧各移动50μm，也就是光纤整体被向外拉伸100μm，光纤在微型马达移动过程中产生的预应力作用下处于抻紧状态。

S2，在光纤上确定蝙蝠型SNAP微腔的左耳翼和右耳翼的目标位置，并控制V字型光纤夹具下方的微型马达移动，将目标位置移动到二氧化碳激光熔接机的二氧化碳激光聚焦光束的曝光位置，并将光斑聚焦在目标位置处光纤的表面。

对微型马达的移动控制和自动对准过程全部通过设置二氧化碳激光熔接机的控制参数自动完成，二氧化碳激光聚焦光束距离光纤表面的距离根据光纤直径和具体熔接机的设计决定，本申请对此不作限定。

S3，根据所需蝙蝠型SNAP微腔的轴向长度和耳翼的ERV高度确定二氧化碳激光曝光功率和曝光时间，分别在左耳翼和右耳翼对应的所述目标位置处进行曝光。

当二氧化碳激光聚焦光束进行曝光时，可选的，先将上下激光头到距离光纤表面位置的距离做微调，然后再进行曝光。曝光功率通常根据光纤材质、尺寸、耳翼高度决定，但为了提供更柔性的操作方式和提高容错性，选择一个相对较小的标准功率进行多次迭代，曝光时间通常设置在1s以内，避免时间过长损坏光纤。曝光过程具体还包括如下步骤：

步骤1，确定初始曝光功率、曝光时间以及二氧化碳激光加工参数，在光纤的目标位置进行初次曝光。

当二氧化碳激光聚焦光束进行曝光时，可选的，先将上下激光头到距离光纤表面的距离做微调，然后再进行曝光。曝光功率通常根据光纤材质、尺寸、耳翼高度决定，但为了提供更柔性的操作方式和提高容错性，选择一个相对较小的标准功率进行多次迭代，曝光时间通常设置在1s以内，二氧化碳激光曝光功率为小于标准功率的-40bits到-100bits之间，以避免时间过长损坏光纤，也便于后续调整相关参数。但需要说明的是，本方案中曝光的光纤材料包括但不限于二氧化硅材料、聚合物材料、半导体材料和晶体材料等，具体材料本方案不予限定。

步骤2，获取曝光后在所述目标位置的光纤表面产生的ERV高度，根据和目标ERV高度的高度差调整曝光功率、曝光时间以及迭代曝光次数。

本方案中，蝙蝠型耳翼的ERV高度即为光纤表面相对于未曝光区域凸起的高度。初次曝光中，光纤在微型马达抻紧和曝光加热过程中，释放光纤内部产生的预应力，从而引入微小形变，进而在光纤表面形成蝙蝠型耳翼状凸起。

具体参考图3，是制作蝙蝠型SNAP微腔的工艺流程示意图。在单次或多次曝光后，最终在目标位置处形成一定ERV高度的耳翼。在确定初次ERV高度后，即可根据目标ERV高度计算出实际高度差，进而根据高度差调整曝光参数和迭代曝光次数。通常情况下，在曝光时间不变时，曝光功率与光纤直径呈负相关，与ERV高度呈正相关。也就是光纤直径越大，设置的曝光功率越小，单次曝光时产生的ERV高度越小。

步骤3，继续对目标位置进行迭代激光曝光，直至获取目标ERV高度的蝙蝠型耳翼，并记录耳翼曝光参数。

该蝙蝠型SNAP微腔的左右耳翼是对称结构，在形成一侧的蝙蝠型耳翼后，将本次曝光的相关参数记录和存储，作为生成对侧耳翼的曝光参数。

步骤4，控制两个微型马达同时向对侧待制作的蝙蝠耳翼方向移动一个轴向长度，并将其确定为目标曝光位置。

如图3所示，假设先曝光生成左耳翼，进而控制两个微型马达同时向右侧(对侧待生成耳翼方向)方向移动一个轴向长度，该轴向长度即为两侧耳翼最高处之间的轴向距离，也即该SNAP微腔的轴向尺寸。移动过程中，两个微型马达需要同时移动，且移动过程中两个V字型光纤夹具的距离保持不变，目的是为了保持光纤在前后都保持相同预应力，保证两侧产生的耳翼ERV高度一致。

步骤5，获取耳翼曝光参数，并基于耳翼曝光参数进行曝光，生成目标ERV高度的蝙蝠型耳翼。

该步骤参考图3过程，微型马达从A处移动一个轴向长度后定位到B处，也就是右耳翼的曝光位置，读取左侧耳翼的相关曝光参数后进行曝光，生成右耳翼。

下面通过实施例对本方案进行详细说明。

实施例一：在125μm(直径)的单模光纤上制备轴向长度为700μm的蝙蝠型SNAP微腔。

1)在二氧化碳激光熔接机的编辑“熔接模式”中设置为“光纤加工”模式，并且打开“马达自动对准”功能。然后将剥去涂覆层的光纤5放置在熔接机的两个水平V型槽光纤夹具中，使得光纤5两端分别固定在两个一维平移台1和2上。进入“编辑熔接模式”功能中的“马达驱动”进行设置，将左右马达分别移动50μm，使光纤5向轴向两侧拉伸并保持抻紧状态，产生对光纤5轴向施加的预应力。

2)通过熔接机“编辑熔接模式”设置通光功率为“标准功率-50bits”，通光时间为0.5s，使二氧化碳激光聚焦光束6在光纤5的A位置处曝光，以制备蝙蝠型SNAP微腔的左端“耳翼”。

3)进入熔接机“编辑熔接模式”功能中的“马达驱动”进行设置，将左右马达分别向右移动700μm，即为所需制备的蝙蝠型SNAP微腔的轴向长度。

4)重复步骤2)中的操作，使二氧化碳激光聚焦光束6在光纤5的B位置处曝光，制备出蝙蝠型SNAP微腔的右端“耳翼”。

图4为本实施例制作的轴向长度为700μm、耳翼的ERV高度为24.3nm的蝙蝠型SNAP微腔的光谱分布图。从图4中可以看出，所制作的SNAP微腔的ERV轮廓呈蝙蝠型，蝙蝠的两侧“耳翼”即为二氧化碳激光两次曝光时，同时拉伸光纤使得光纤表面产生微小凸起形成的。A、B间的轴向距离为700μm，与所需的轴向长度为700μm的蝙蝠型SNAP微腔参数一致。

通过上述实施例可知，通过控制两侧微型马达同向移动700μm即可实现，该操作简单便捷。此外，图4展示了两个相邻的轴向本征模式被同时激发时，其沿光纤轴向的波长分布情况，故有两个相邻的蝙蝠型轮廓存在。

实施例二，在125μm的单模光纤上制备轴向长度为1250μm的蝙蝠型SNAP微腔。

在实施例一的基础上，将步骤2)中的相关参数改为“二氧化碳激光的通光功率为“标准功率-40bits”，曝光时间为0.7s”，以及步骤3)中“将左右马达分别向右移动1250μm”，以制作轴向长度为1250μm、耳翼ERV高度为32.4nm的蝙蝠型SNAP微腔。对应的光谱分布图如图5所示。相比于图4可以发现，针对步骤2)中，增加曝光功率和曝光时间后，可以明显增加蝙蝠型SNAP微腔的耳翼ERV高度。此外，针对步骤3)中，改变左右两微型马达的移动距离可匹配所需蝙蝠型SNAP微腔的轴向长度需求。

综上所述，在制备蝙蝠型SNAP微腔时，直接采用工程基础科学领域常用的科学仪器-二氧化碳激光熔接机作为制备装置，整个操作过程无需额外搭建和制造其他精密科学仪器，操作简单。在制备过程中，利用二氧化碳激光熔接机的V字型光纤夹具和微型马达来控制光纤的左右定向移动，所以微腔轴向长度完全可控。而二氧化碳激光熔接机的二氧化碳激光聚焦光束则可以实现曝光功率和曝光时间完全可控，光纤表面在特定的激光曝光和光纤受到的预应力作用下发生微小形变，形成的两处凸起构成蝙蝠型ERV轮廓的两个耳翼，进而生成对应尺寸的蝙蝠型SNAP微腔。

微型马达在移动过程中保持相同的预应力，以确保左右耳翼的高度一致，而微型马达的移动距离即为蝙蝠型SNAP微腔的轴向尺寸，该过程可通过设定熔接机参数自动完成定位、校正、激光聚焦和曝光等步骤，实现自动化操作。

基于本方案可快速精确的制备从微米到毫米量级轴向尺寸的蝙蝠型SNAP微腔，其原理简单，耗时短，且利用现有的集成化设备，避免了复杂的光路调整装置，具有装置简单、制作成本低和成功率高的优势。

以上对本发明的较佳实施例进行了描述；需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容；因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.一种蝙蝠型表面纳米轴向光子微腔器件的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

S1，将剥去涂覆层的光纤放置到二氧化碳激光熔接机的两个水平对齐的V字型光纤夹具中固定，将光纤分别向两端外侧施加预应力使其处于抻紧状态；

S2，在光纤上确定蝙蝠型SNAP微腔的左耳翼和右耳翼的目标位置，并控制所述V字型光纤夹具下方的微型马达移动，将所述目标位置移动到所述二氧化碳激光熔接机的二氧化碳激光聚焦光束的曝光位置，并将光斑聚焦在所述目标位置处光纤的表面；

S3，根据所需所述蝙蝠型SNAP微腔的轴向长度和耳翼的有效半径变化ERV高度确定二氧化碳激光曝光功率和曝光时间，分别在左耳翼和右耳翼对应的所述目标位置处进行曝光，以使目标位置处的光纤表面在激光曝光和受到的预应力作用下产生凸起，在两处凸起的光纤轴向区域形成所述蝙蝠型SNAP微腔。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将光纤固定在所述V字型光纤夹具中后，控制两个所述微型马达分别向左右外侧各移动50μm，光纤在移动产生的预应力作用下处于抻紧状态。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，设置二氧化碳激光曝光功率为小于标准功率的-40bits到-100bits之间，一次曝光时长小于1s。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S3包括：

确定初始曝光功率、曝光时间以及二氧化碳激光加工参数，在光纤的所述目标位置进行初次曝光；

获取曝光后在所述目标位置的光纤表面产生的ERV高度，根据和目标ERV高度差调整曝光功率、曝光时间以及迭代曝光次数；

继续对所述目标位置进行迭代激光曝光，直至获取目标ERV高度的蝙蝠型耳翼，并记录耳翼曝光参数；其中，曝光功率与光纤直径呈负相关，与ERV高度呈正相关。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征组在于，获取一侧蝙蝠型耳翼后，所述方法还包括：

控制两个所述微型马达同时向对侧待制作的蝙蝠型耳翼方向移动一个轴向长度，并将其确定为目标曝光位置；其中，所述轴向长度即为两侧耳翼最高处之间的轴向距离；

获取所述耳翼曝光参数，并基于所述耳翼曝光参数进行曝光，生成目标ERV高度的蝙蝠型耳翼。

6.根据权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，用于曝光的光纤材料包括二氧化硅材料、聚合物材料、半导体材料和晶体材料。

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