本发明专利技术公开了一种多模干涉（ＭＭＩ）分束器及其制备装置和方法。所述的ＭＭＩ分束器包括透明电介质材料样品和在其体内形成的三维多模干涉光波导。所述的制备装置包括：用于产生激光束的激光装置；用于调节激光束能量和脉宽的调节装置；用于控制激光曝光的快门装置；用于激光束整形和滤波的滤波装置；用于聚焦激光束的聚焦装置；用于装载和移动样品的工作平台；用于检测激光束写入状态的同步监控装置；用于根据探测装置反馈的信息控制快门装置和移动平台的控制装置。所述的制备方法是采用低数值孔径的聚焦物镜将超短激光聚焦到透明电介质材料体内成丝，一次成型制备ＭＭＩ分束器，包括如下步骤：产生激光脉冲；整形和滤波步骤；聚焦步骤；定位步骤；写入步骤。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学信息处理和精密微光电子学器件领域，特别涉及一种多模干涉分束器及其制备方法和装置。所述的制备方法是一种利用超短激光脉冲在透明材料体内制备多模干涉(MMI，Multimode Interference)分束器及其相关光子器件的方法。
技术介绍
光束分束器是光信息处理系统和光通信系统的关键器件，也是集成光学中重要的组成部分。常见的光束分束器有光功分器、TE/TM模式分离器、M-Z光开关、光分波/合波器等。传统的分束器件中，用于3dB分光的主要有Y分支波导和X分支波导。但这两种元件的夹角很小，因此难以控制其制备工艺。而且，如果要实现多址传送功能，就需要众多的分支波导和光开关单元按树枝状网路连接组成大规模的矩阵，从而不但使连接光波导的累计光程加长、网路分布复杂、晶片面积很大，而且光传输的损耗也会增加。因此，需要开发短程多址分束器。自1975年德国马普研究所R.Ulrich等人提出平面光波导的自映像效应以来，人们对多模干涉(MMI)器件的成像特性和应用等进行深入研究，根据这个效应制备得到3dB耦合器和滤波器。近年来根据自映像原理发展起来的MMI分束器就是一种短程多址分束器。MMI分束器是利用相干光源在多模平面光波导中，沿波导方向传输过程形成的自映像，即在传播方向上可以周期性地形成输入场的单个、两个或多个入射光的像点，从而达到将入射光进行分束的目的。只要平面波导足够长，所有的单像点和多像点在传播方向上都会周期出现。MMI分束器具有分光光束数量可控、传输损耗低、结构精巧、较宽频带、容易制作加工且容差性好等特点。它由一个多模光波导和两侧连接的输入、输出的单模光波导构成。单模波导入射的光束进入多模波导后形成的多模干涉，在波导的不同截面形成不同级别、强度均衡的多模光斑，其传播方向和相位与入射光波一致。根据分束系统的需求来确定多模波导的长度便可获得1×N多模分束器，实现多址分束功能。现有的MMI分束器所用的材料一般有InP，GaAs和Si等半导体，都是基于平面结构而且需要多步工艺才能完成制备。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的一个目的在于提供一种以透明的电介质材料为原料的新型多模干涉(MMI)分束器，是利用超短激光脉冲聚焦到透明的电介质材料样品体内一次扫描成型，从而在样品体内形成的三维的多模干涉光波导。其中，MMI分束器的多模波导长度由激光在材料体内扫描的距离决定，波导截面宽度由激光成丝长度决定，而波导的截面厚度则由激光自聚焦成丝的粗细决定。因此，若要得到较大的波导宽度，则可以通过激光在样品体内的多层或多次扫描实现。此外，还可以通过制备多个MMI波导并进行耦合，形成可以输出阵列光束的阵列分束器。以下介绍本专利技术构思的原理介质平面光波导一般都存在三种传输模式导波模式，衬底模式和辐射模式。熔融石英体内光波导的衬底和覆盖层材料折射率相同，只存在导波模式和辐射模式。如图1所示，如果将曝光区域的波导折射率等效为阶梯型nf，熔融石英波导上下的衬底和覆盖层折射率用ns和nc表示，传输光为TM模，传播常数为β。则，能够在波导中传输的波导模式必须满足如下条件sin-1(nsnf)<θ<π2kns<β<knf---(1)]]>激光在平面光波导中传输，上下表面反射造成的相位移动分别为φ2和φ0，以相位领先为正，则平面光波导的本征值方程为knfdcosθ-φ2-φ0＝mπ (2)其中，d为波导厚度，m取整数。以往采用半导体材料制作的平面光波导，衬底、覆盖层和传输层折射率各不相同，由(3)式存在截止厚度dmin。波导传输层的厚度小于截止厚度dmin则不能形成传输模式。dmin,i=λ2π(nf2-n02)1/2arctan(αi1/2)---(3)]]>其中，i代表不同偏振TE或者TM模式，激光在波导中由菲涅尔定律给出的反射系数α表示为αTE=ns2-nc2nf2-ns2αTM=nf4ns2-nc2nc4nf2-ns2---(4)]]> 波导上下熔融石英的折射率相等nc＝ns＝n0，则αTE＝αTM＝0dmin＝0，即这种波导截止厚度为0。光波导中的模式分布与光波导的折射率分布及工作波长等有直接关系。定义波导归一化工作频率V=2πλρnf2-n02=2πλρnf2Δn---(5)]]>其中，ρ为波导横向特征尺寸。横向尺寸相对波长越大，V值越大，容纳波导模式也越多。如图2所示，为本专利技术提供MMI分束器的示意图，其MMI波导XY截面两个方向，X为成丝形成的波导宽度W比较长(可达100μm以上)容易形成多个模式，Y截面为扫描的波导厚度很薄一般只能形成单模。只要平面波导L足够长，归一化工作频率V值足够大，在传播方向上将形成单像点和多像点周期性分布，实现分束作用。MMI平面波导两个最低阶模周期长度Lπ=4nfWmmi23λ0---(6)]]>其中Lπ两个最低阶模周期长度，Wmmi为MMI平面光波导的宽度，λ0为真空中的波长，nf为波导的折射率。图2是飞秒激光聚焦到熔融石英体内，扫描形成的MMI波导示意图。波导长度L、波导宽度W和波导厚度d分别由扫描移动距离，聚焦成丝长度和成丝的截面尺度决定。多层扫描可以增加波导厚度，而多次扫描用于提高折射率增量。由上述公式可以得到MMI光波导长度和输入输出位置计算如表1所述表1 多模干涉分束器不同分束类型的光束输入输出位置(N是光束数目) 对光波导的传输和耦合模拟计算，需要求解Helmholtz方程。一般的计算都是基于有限差分光束传输方法(Beam Propagation Method，简称BPM)。下面采用BPM方法分别对阶梯型和近高斯型分布的MMI波导调制区域进行传输拟合结果。透明基底材料折射率设为1.468；折射率增量范围取3×10-4～3×10-3；耦合输入He-Ne激光波长632.8nm；实验能获得MMI结构的几何参数长度L可调范围0～20mm，宽度范围40～250μm，厚度范围1.5μm以上。如图3和图4所示，分别为聚焦He-Ne激光耦合输入到折射率阶梯型和高斯型分布的MMI多模光波导的传输情况。根据本专利技术的构思，采用本专利技术提供的装置和方法得到的MMI分束器的波导传输情况如图3所示。根据上述拟合结果进行分析，得知制备参数对MMI分束器的影响有1)多模成像跟折射率增量Δn有密切关系根据公式(5)，Δn越大工作频率V越高、模式越多、越容易形成多像点，周期长度也越小；2)平面光波导宽度波导宽度较小时，工作频率V越小、波导模式越少、不易形成多像点，要得到多光束输出最好采用较宽的波导结构；3)平面光波导厚度熔融石英体内平面光波导截止厚度为0，只要工作频率V足够小，满足单模传输条件，厚度大小就不影响激光的传输。4)平面光波导横截面折射率分布波导横截面的折射率分布影响很大，阶梯型折射率分布和高本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多模干涉分束器，其特征在于，包括透明的电介质材料样品和在其体内形成的三维多模干涉光波导。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李焱，郭亨长，蒋红兵，杨宏，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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