具有雷射製造的非線性波導的高功率可見光雷射器的製作方法

2023-05-28 07:12:36

本申請要求於2014年7月1日提交的美國臨時專利申請No.62/019,601以及於2014年8月11日提交的美國臨時專利申請No.62/035,674的優先權，其中的每一個通過引用而整體併入本文。

技術領域

本公開涉及光波導。更特別地，本公開涉及具有雷射製造的非線性波導的高功率可見光雷射器。

附圖說明

被併入並構成本說明書的一部分的附圖例示了本公開的一個或多個實施例，並且與示例實施例的描述一起用於解釋本公開的原理和實現。

圖1例示了用於脊波導、掩埋式波導和混合波導設計的示例性過程。

圖2例示了示例性的脊波導。

圖3描繪了示例性的掩埋式波導。

圖4描繪了示例性的混合波導。

技術實現要素：

在本公開的第一方面中，描述了一種波長轉換非線性脊波導，該波長轉換非線性脊波導包括：非線性晶體襯底；在非線性晶體襯底的頂部表面上的第一介電層；在第一介電層的頂部表面上的波導層，波導層包括至少一個雷射製造的脊區，該至少一個雷射製造的脊區被配置為允許形成光學模式(optical mode)，該光學模式基本上由至少一個雷射製造的脊區和第一介電層限界(delimit)；以及在波導層的頂部表面上的第二介電層。

在本公開的第二方面中，描述了一種波長轉換非線性掩埋式波導，該波長轉換非線性掩埋式波導包括：非線性晶體襯底；以及在非線性晶體襯底中的多個雷射製造的損傷軌跡(damage track)，其中該多個雷射製造的損傷軌跡具有與非線性晶體襯底的未受損的晶體結構不同的晶體結構，該多個雷射製造的損傷軌跡被按照期望圖案布置，期望圖案被配置為允許在非線性晶體襯底的基本上由該期望圖案限界的區域內形成光學模式。

在本公開的第三方面中，描述了一種波長轉換非線性混合波導，該波長轉換非線性混合波導包括：非線性晶體襯底；在非線性晶體襯底中的雷射製造的損傷軌跡的層，其中雷射製造的損傷軌跡具有與非線性晶體襯底的未受損的晶體結構不同的晶體結構；在非線性晶體襯底的頂部表面上的至少一個雷射製造的脊區，該至少一個雷射製造的脊區被配置為允許形成光學模式，該光學模式基本上由所述至少一個雷射製造的脊區和損傷軌跡的層限界；以及在非線性晶體襯底的頂部表面上的介電層。

具體實施方式

低成本、高功率可見光雷射源是下一代電影投影機的重要組成部分。本公開描述了用於製造這種雷射器的方法。該雷射器基於雷射二極體條、波長組合器以及使用飛秒(fs)雷射寫入技術製造的波長轉換非線性波導。例如在US 7423802B2、US 7265896B2、US 7265897B2、US 7116468B2、US 20070297732A1、US 20080025350A1中描述了雷射二極體條、波長組合器和使用等離子體蝕刻製造的波長轉換非線性波導及它們的組合，通過引用將所有這些的公開內容整體併入本文。例如在以下文獻中描述了使用fs雷射寫入技術製造的波長轉換非線性波導的各種設計：Xu等人的Phys.Status Solidi RRL，7(11)，2013，1014–1017；Burghoff等人的Appl.Phys.A 89,127–132，2007；Dong等人的IEEE Journal Of Selected Topics In Quantum Electronics,第15卷,第1期,1月/2月，2009；Fu等人的Optics Express,第17卷,第14期,7月6號，2009，11782頁，通過引用將所有這些的公開內容整體併入本文。然而，這種設計對於製作可以大量生產的大模式面積、單模(或近單模)、低損耗的波導而言具有有限的實用性。

如本公開所描述的，在可見光波長範圍中的雷射源包括一個或多個紅外雷射光源，在若干實施例中包括雷射二極體條。雷射二極體的輸出可被耦合到將雷射輻射引至單個輸出埠(例如，單模波導)的波長組合器(例如，陣列波導光柵)的輸入埠。波長轉換(倍頻)非線性波導然後可以將紅外輻射轉換到可見光譜範圍。波長組合器和/或非線性波導可以向雷射二極體提供光學反饋，穩定每個發射器在其自己的波長處的操作。

可以使用fs雷射寫入技術來製造非線性波導。相比于波導的等離子體蝕刻，以及相比於其它系統，這允許更好的性能和更低的生產成本。可以在化學計量(或近化學計量)鉭酸鋰襯底(SLT)上製造非線性波導。SLT具有高的非線性光學係數，並允許高效的波長轉換和高的功率處理能力(>10W)。為了高轉換效率，襯底可以是z切割(也可以使用x切割和y切割)，並可以具有可使用常見方法製造的準相位匹配光柵(具有適當選擇的周期)。波導方向可以沿著襯底的y軸。然而，也可以使用沿著x軸取向的波導。此外，也可以使用彎曲或其他非直線波導或者波導迴路。波導可以支持在二極體雷射波長和/或倍頻波長處的單模(或近單模)操作。所支持的模式直徑為15-50μm，優選為30μm(μm為微米)。波導傳播損耗可以是<3dB/cm，例如<1dB/cm，或<0.3dB/cm。

在本公開中描述了對于波導設計類型的三種類型的實施例：脊波導、掩埋式波導和混合波導。

在圖2中示意性地示出了示例性脊波導的截面。全等鉭酸鋰(CLT)襯底205塗覆有二氧化矽(SiO2)的薄層(210)。然後在頂部接合SLT(215)，該SLT(215)隨後在整個表面上被均勻地研磨至15-50μm的厚度。然後使用飛秒雷射處理從頂部表面去除5-20μm的材料，留下5-20μm高、20-50μm寬的長脊(220)。燒蝕區域(225)從該脊在兩側上延伸50-100μm或更遠。然後整個結構可以用SiO2外覆。可選地，可以進行附加的退火和/或等離子體蝕刻步驟以改善傳播損耗。

在一些實施例中，襯底可以是z切割化學計量周期極化鉭酸鋰(SLT)。在一些實施例中，粗糙度可以是<100nm均方根(rms)，即，側壁和底面在脊(220)的外側延伸至50-100μm或更多。

如果適當地選擇脊的高度和寬度，則例如在圖2中描述的脊結構可以支持單模(或近單模)操作。在圖2中，該模式被示意性地示為虛線(235)。為了簡單起見，繪製了橢圓線(235)，而實際的模式可以呈現更複雜的輪廓。

脊波導中的傳播損耗是由吸收以及粗糙導致的散射引起的。在經雷射處理的表面上可以實現20μm，優選地>30μm)。

光纖、大節距洩漏通道光纖設計可以被用於將單模操作擴展到大模式直徑。在這種設計中，折射率更小的棒(直徑幾十微米)被放置在光纖芯周圍，有效地抑制更高階模的傳播。光纖中的應力誘發的引導可以被用於將單模操作擴展到大模式直徑。

在圖3示例的實施例中，損傷軌跡可以被按照圓形或非圓形圖案來布置，並且可以被規則地或非規則地間隔開。可以使用一個或多個損傷軌跡環。在圖3中，波導芯(335)的中心可以在襯底表面下方30-100μm處，以及損傷環的直徑(軌跡(310)的環的內側)可以是30-100μm。光學模式(330)位於損傷環內側(軌跡310的環的內側)的未受損的襯底材料中。光學模式在圖3中被示意性地示為虛線330。為了簡單起見，繪製圓形線，而實際的模式可以呈現更複雜的輪廓。在一些實施例中，襯底對於加工雷射可以是透明的，以避免來自襯底的雷射吸收。

可以按照1-10個或更多個軌跡為一組來布置損傷軌跡310。在每個組內，軌跡可以被彼此靠近地放置，具有與軌跡尺寸相當的分隔。這導致由該組佔據的區域上的有效折射率減小。與大節距洩漏通道光纖設計類似，這些組能夠以更大的距離(與組的尺寸相當)分隔以抑制更高階模傳播。在一些實施方案中，可以使用4-36個或更多個組。

可替換地，可以有效地使用應力誘發的損傷軌跡附近的折射率的增加來形成波導。這可以通過將損傷軌跡放置在未受損的芯的周圍來實現，由此使得未受損的芯的折射率由於晶格中的應力而增加。可以針對單模、大模式直徑波導操作而優化損傷軌跡的放置、它們的強度和所得到的應力分布。損傷軌跡周圍的應力分布一般可以是各向異性的。在波導設計中對各向異性加以考慮是有利的。在這種設計中，可以將光學模場有效地推離損傷軌跡。這可以導致傳播損耗減少以及非線性轉換效率改善。

另一替代方案是利用洩漏通道和應力誘發引導二者來實現低損耗、單模、大模式直徑波導操作。

製造掩埋式波導的整個工藝可以包括利用fs雷射器在襯底表面下創建損傷軌跡。可以使用附加的退火步驟來改善波導性能。與脊波導製造相比，針對掩埋式波導的這種製造工藝可以被極大地簡化。消除了若干個嚴苛的處理步驟以及一些資本設備。此外，由於在掩埋式波導製造期間沒有表面燒蝕，因此不需要控制複雜的表面化學性質。

可以選擇fs雷射處理參數以產生強的可再現的損傷軌跡，同時避免在軌跡處和軌跡周圍的材料斷裂。為了獲得最佳的波導性能，可以在以下各項中仔細地優化參數：掃描速度、重疊、通過次數、脈衝長度、重複率、波長、偏振、聚焦條件，以及其它。

在以上實施例中，已經描述了連續損傷軌跡的製造，如可以通過重疊由各個fs脈衝產生的損傷點來實現的。可替換地，可以通過沿著波導方向以規則圖案放置各個非重疊的損傷點來產生有效的損傷軌跡，如圖3所示。可以使用如圖3所示的示例性圖案(315、320、325)的全部，以及本領域技術人員所理解的其它變型。損傷點的規則圖案具有明確定義的空間頻率，在峰之間具有低損耗。損傷點之間的間隔的適當選擇可以導致更低的波導傳播損耗。這種布置也可以用於以下描述的混合波導的製造中。

圖3中的襯底可以是z切割化學計量周期極化鉭酸鋰。

在圖4中示意性地示出了示例性混合波導的截面。在第一步驟中，可以使用fs雷射器在例如SLT襯底(405)的表面以下15-50μm的深度處產生損傷軌跡的陣列。軌跡總體等同於100-300μm或更寬的受損材料平面(410)。軌跡可以規則地或非規則地間隔開。在一些實施例中，軌跡被彼此靠近地放置，具有與軌跡尺寸相當的間隔。可替換地，可以按照1-10個或更多個軌跡為一組來布置軌跡，在相鄰組之間具有更大的間隔(與組的尺寸相當)。這對於進一步抑制更高階模的傳播是有利的。

在第二步驟中，fs雷射處理可用於從頂部表面去除5-20μm的材料，以留下高5-20μm且寬20-50μm的長脊(415)。燒蝕區(420)可以從脊在兩側延伸50-100μm或更遠。然後整個結構可以用SiO2(425)外覆。可選地，可以進行附加的退火和/或等離子體蝕刻步驟以改善波導性能。在一些實施例中，在第二步驟中可以在經雷射處理的表面上實現<100nm rms的粗糙度。在一些實施方案中，可以最小化或避免經處理的表面的化學還原。也可以在雷射處理期間最小化或避免SLT襯底的非晶化。另外，在第二步驟期間，表面環境控制可以用於去除碎屑、改善粗糙度、控制溫度和化學組成。這種控制可以通過氧氣、臭氧、氮氣、空氣或其它氣體的一個或多個射流來實現。

波導模式位於未受損的襯底材料中，如在圖4中被示意性地以虛線(430)示出。為了簡單起見，在圖4中繪製了橢圓線，而實際的模式呈現出更複雜的輪廓。

可替換地，可以通過如下操作來製造混合波導，首先使用與以上段落中所述的工藝相同的工藝產生受損材料的平面。在第二步驟中，可以使用等離子體蝕刻而不是雷射燒蝕來製造脊結構。

為了獲得最佳的波導性能，可以分別針對兩個步驟在以下各項中仔細地優化fs雷射器處理參數：掃描速度、重疊、通過次數、脈衝長度、重複率、波長、偏振、聚焦條件，以及其它。

相比於脊波導，掩埋式波導的製造工藝可以被簡化，因為消除了接合和研磨步驟。

如本領域技術人員將理解的，用於上述的燒蝕和損傷軌跡形成兩者的fs雷射處理步驟可以可替換地使用數皮秒脈衝、以及甚至更長的達數納秒的脈衝，並且仍然實現所要求的波導性能。例如，在UV光譜範圍中(例如，在約355nm處)的亞納秒脈衝的使用可以允許實現低損傷/燒蝕處理閾值。

可以在化學計量(或近化學計量)鉭酸鋰襯底上構造如本公開中所描述的脊波導、掩埋式波導和混合波導設計。應當理解，這樣的波導可以在其它非線性襯底(例如，全等鉭酸鋰、鈮酸鋰、KTP、BBO、LBO、BiBO等)上構造。還應當理解，這樣的波導可以在其它晶體、非晶體或陶瓷、摻雜或未摻雜的襯底(Nd：YAG、玻璃等)上構造。

圖1描述了本公開中所描述的脊波導，掩埋式波導和混合波導設計的示例性過程。例如，研磨、接合和fs雷射加工可以被用於製造波導。

在製造之前或製造期間，可以利用諸如清潔或氧化射流的各種方法清潔器件的表面。例如，氧化射流可以是反應性氣體的射流，其通過與表面汙染物和/或碎屑的化學反應來清潔襯底的表面。

根據本公開的方法和設計製造的波導可以用於製造雷射系統。雷射系統可以包括基於紅外二極體條的雷射器以及雷射製造的波導。波導可以用於紅外雷射到可見光波長的頻率轉換。與等離子體蝕刻的波導相比，這種雷射器製造的波導可以提供更好的性能和更低的生產成本。雷射系統還可以包括波長組合器，例如波導光柵(諸如陣列波導光柵)。

如本領域技術人員所理解的，二極體條是二極體陣列。

如本領域技術人員所理解的，陣列波導光柵可以被用作波分復用系統中的光學復用器。陣列波導光柵將多個波長復用到單個光學波導中，從而增加光學通道的傳輸容量。

陣列波導光柵基於光學的基本原理：不同波長的光波彼此線性幹涉。例如，如果二極體條中的每個二極體發射具有略微不同波長的光，則來自這些通道中的大數量的通道的光可以由單個光學波導(通道)運載，在通道之間有可忽略的串擾。

在一些實施例中，本公開的波導的幾何形狀被配置為支持單模(或近單模)操作。對于波導性能而優化處理參數(包括但不限於fs雷射處理參數)。在以下參數中優化fs雷射處理參數：掃描速度、重疊、通過次數、脈衝長度、重複率、波長、偏振、聚焦條件，以及其它。

在一些實施例中，取決於加工雷射器的波長，襯底可以對於製造步驟中的一些或全部是透明的或吸收的。例如，可能是有利的使用更短的波長，例如獲得混合波導中的脊的更平滑的表面(與諸如損傷軌跡形成的其他工藝步驟相比)。

在一些實施例中，襯底不需要是透明的。例如，對於脊波導，襯底不需要對於加工雷射是透明的。在其他實施例中，襯底可能需要是透明的。例如，對於脊波導，可以利用從一側(例如，背側)通過襯底照射的雷射在另一側(例如，前側)創建脊。在另一個示例中，對於混合波導，可以使用相同的雷射器從襯底的背側創建脊和損傷軌跡。該方法可以允許將襯底一次性地安裝到固定裝置，從而改善設計公差。

在若干實施例中，可能期望平滑的脊表面。然而，脊表面可能由於製造工藝是粗糙的。為了改善平滑性(以及所期望的平面性特性)，可以對要被雷射加工的材料的表面進行預處理或後處理。例如，預處理可以包括金屬化步驟，或利用化合物的塗覆步驟。預處理可以提供加工雷射的局部吸收(將能量集中到頂部表面)。

後處理可以包括用於更平滑(或更均勻)表面的化學蝕刻。蝕刻可以包括例如使用HF(氫氟酸)、硝酸(HNO3)、氟化銨(NH4F)和/或氫氧化鉀(KOH)、乙二胺、四甲基氫氧化銨(TMAH)。等離子體蝕刻(例如氯或氟)也可用於使表面平滑。例如，碳氟化合物(CF4)可用於使脊平滑。

在本公開中引用了若干參考文獻，所有所述參考文獻的公開內容通過引用整體併入本文。

已經描述了本公開的許多實施例。然而，應當理解，在不脫離本公開的精神和範圍的情況下，可以進行各種修改。因此，其他實施例在以下權利要求的範圍內。

以上闡述的示例作為如何做出和使用本公開的實施例的完整公開和描述被提供給本領域的普通技術人員，而不意在限制發明人視為他們公開的範圍。

對於本領域技術人員明顯的用於執行本文所公開的方法和系統的上述模式的修改意在於以下權利要求的範圍內。說明書中提到的所有專利和出版物指示本公開所屬領域的技術人員的技術水平。本公開中引用的所有參考文獻通過引用被併入，其程度與就好像每個參考文獻單獨地通過引用整體併入的程度相同。

應當理解，本公開不限於特定的方法或系統，其當然可以變化。還應當理解，本文所使用的術語僅出於描述特定實施例的目的，而不意在限制。在被用於本說明書和所附權利要求中時，單數形式「一」，「一個」和「該」包括複數的提及物，除非內容另有清楚指示。術語「多個」包括兩個或更多個提及物，除非內容另有清楚指示。除非以另有定義，否則本文使用的所有技術和科學術語具有與本公開所屬領域的普通技術人員常規理解的含義相同的含義。