本发明属于集成光子学器件制备技术领域，特别涉及一种多模干涉型全晶体波导分束器的制备方法。
背景技术
光波导是集成光学系统的基本构建单元。光学晶体是一类重要的光学材料，包含丰富的电光、声光、非线性等性质。相对于采用外延工艺制备光波导，在单一成分的晶体块或晶体片中直接制备光波导（以下称为“全晶体光波导”）具有显著的优势，主要包括：1.可以很好的保留晶体材料的荧光、电光、非线性性能；2.省去外延生长等复杂加工过程；3.成本低廉。
波导分束器是一种重要的波导器件，将输入信号按需求分为若干份，在波分复用、传感、相位调制、光开关等场合具有广泛的应用。
目前，全晶体波导分束器的制备主要是采用y分支型。如h.hu等人报道了利用氧离子注入结合光刻的手段，在铌酸锂晶体中制备了1×2型y分支波导分束器（opticsexpress20(19),21114(2012)）。该类方法所采用的制备工艺较为复杂。另外，由于该波导芯层与衬底的折射率差较小，分束角通常小于1.2°，因此分束器部分的长度往往大于1mm，不利于器件尺寸的进一步缩小；
j.lv等人报道了利用飞秒激光刻写的方法在铌酸锂晶体中制备了波导分束器（journaloflightwavetechnology34(14),3587-3591(2016)）。该结构的制备十分复杂，需要上百条飞秒激光刻痕，对制作精度的要求非常高，且存在模式失配带来的附加损耗；
中国专利cn201710883054.0提出了一种利用飞秒激光刻写制备caf2晶体分束器的方法，该方法采用y分支结构，该器件由多个横截面组成，所需要的刻痕数达数百条，对定位及加工精度要求极高，不利于批量生产；
c.chen等人报道了利用离子注入结合飞秒激光刻蚀制备的kta晶体波导分束器（journaloflightwavetechnology35(2),225-229(2016)），该结构为y分支型，难以实现能量的一分多，且由于模式失配及波导弯曲，损耗较大（约4db/cm）。
总之，目前所采用的全晶体波导分束器的制备方法主要存在以下缺陷：1.制备工艺较为复杂，对加工精度的要求极高；2.器件尺寸较大，尤其对于1×n（n>2）型分束器的制备较为困难；3.由模式失配及波导弯曲造成的附加损耗较大。
技术实现要素：
为克服上述不足，本发明提供一种多模干涉（mmi）型全晶体波导分束器的制备方法。本发明采用离子注入结合飞秒激光刻写或精密机械切割的技术制备波导分束器，具有制备工艺简单、结构紧凑、损耗小的特点。
本申请采用的技术方案是：本发明采用的技术方案如下：
步骤a，选择一定尺寸的抛光晶体片作为衬底，通过离子注入形成平面波导，以实现对光束的纵向限制。
步骤b，1）采用飞秒激光刻蚀或精密机械切割的方法制备一条入射波导；2）采用飞秒激光刻蚀或精密机械切割的方法制备多模波导；3）采用飞秒激光刻蚀或精密机械切割的方法制备n条出射波导。
优选方案，步骤a所述晶体片的材料为掺杂或未掺杂的linbo3、yvo4、ggg、bbo、kdp晶体。
优选方案，步骤b各部分波导均为脊型波导结构，呈直线型。
优选方案，步骤b所制备的入射波导位于多模波导中轴线上。
优选方案，步骤b所制备的出射波导相对于多模波导中轴线呈对称分布。
优选方案，所述步骤b构成各波导的刻痕为非贯通型，各波导部分连接处无需进行横向刻蚀。
本发明的有益效果：
1.制备工艺简单。传统的波导分束器需要采用光刻、刻蚀等复杂工艺，或采用数十至数百条飞秒激光刻痕来实现功率分束，且对于一分多型波导分束器的实现较为困难。而本发明提出的方案，对于1×n波导分束器而言，最多只需要2n+4条直线型刻痕即可实现，这大大降低了制备难度及对设备的要求；
2.损耗小。本结构采用多模干涉原理，不存在模式失配及波导弯曲带来的附加损耗，因此可有效降低能量的损耗；
3.易于集成。目前普遍采用的y分支型波导分束器，器件尺寸较大，尤其对于一分多型波导分束器，往往采用级联结构，分束器长度多可达到数毫米。而对于本发明所采用的制备方案，出射波导条数的增加不会显著增加结构的复杂程度，分束器长度一般在几百微米量级。
4.加工难度小。相比较于传统硅基mmi器件，本方法中所得刻痕为非贯通型，各部分之间不需要刻蚀横向沟槽；另外，本方法中多模波导部分的刻痕长度仅需大于连接部长度，不需准确控制起点和终点。这些特点进一步降低了器件的加工难度。
5.易于推广。本发明采用的分束器制备方法不涉及材料的化学变化，因此适用于大多数光学晶体，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为入射波导部分的截面示意图；
图2为多模干涉部分的截面示意图；
图3为出射波导部分的截面示意图（以1×2型分束器为例）；
图4为分束器整体结构示意图（以1×2型分束器为例）。
图5为实施例1所设计分束器的能量分布情况（采用bpm法计算）；
图6为实施例2所设计分束器整体结构示意图；
图7为实施例2所设计分束器的能量分布情况（采用bpm法计算）；
图8为实施例3所设计分束器的能量分布情况（采用bpm法计算）。
其中，1.飞秒激光刻蚀形成的刻痕（一般有10°左右的倾角）；2.离子注入形成的波导层；3.光学晶体；4.入射波导；5.多模波导；6.出射波导。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
1）在z切铌酸锂晶体片（5×5×1mm）表面进行离子注入，注入采用氧离子束，分三次进行，能量分别为3.0，3.6，4.0mev，总注入剂量为8.5×1014ions/cm2。此条件下，波导区折射率ne升高约0.09（数据来自opticsexpress20(19),21114(2012)）。
2）采用飞秒激光刻蚀入射端波导，波导脊型部分顶部的宽度为3微米；入射端长度根据需求而定。
3）采用飞秒激光刻蚀多模波导区域，多模波导脊型部分顶部的宽度为25微米，多模波导的长度为471微米。
4）采用飞秒激光刻蚀出射端波导，该部分由两个对称分布的分支波导组成，其波导脊型部分顶部的宽度均为3微米，波导中心距结构中轴线的距离均为6.4微米；出射波导的长度根据需求而定。
对于1550nm入射光，采用三维bpm算法模拟，发现该分束器的分束比为1：1，忽略晶格缺陷及沟槽不均匀带来的散射损耗的前提下，对于准tm偏振基模信号，器件的能量损耗仅为0.15db。
实施例2
1）在z切掺钕矾酸钇(nd:yvo4)晶体片（5×5×1mm）表面进行离子注入，注入采用氢离子束，能量为1.0mev，总注入剂量为1.76×1016ions/cm2，注入角度为60°。在此条件下，波导区折射率ne升高约0.5%。（数据来自opticscommunications240,351-355(2004)）。
2）采用精密机械切割的方法制备入射端波导，波导脊型部分顶部的宽度为2微米；入射端长度根据需求而定。
3）采用精密机械切割的方法制备多模波导区域，多模波导脊型部分顶部的宽度为20微米，多模波导的长度为448微米。
4）采用精密机械切割的方法制备出射端波导，该部分由一个位于中心处的出射波导及两个左右对称分布的波导组成，其波导脊型部分顶部的宽度均为2微米。左右两侧波导中心距结构中轴线的距离均为6.8微米；出射波导的长度根据需求而定。
对于633nm入射光，采用三维bpm算法模拟，发现该分束器的分束比约为0.93：1：0.93，忽略晶格缺陷及沟槽不均匀带来的散射损耗的前提下，对于准te偏振信号，器件的能量损耗仅为0.73db。
实施例3
1）在掺钕钆镓石榴石（nd:ggg）晶体片（5×5×1mm，nd3+掺杂浓度为1at.%）表面进行离子注入。注入采用碳离子束，能量为17.0mev，注入剂量为2×1014ions/cm2。在此条件下，波导区折射率升高约0.008。（数据来自opticsexpress20(9),9763(2012)）。
2）采用飞秒激光刻蚀入射端波导，波导脊型部分顶部的宽度为2微米；入射端长度根据需求而定。
3）采用飞秒激光刻蚀密机械切割的方法制备多模波导区域，多模波导脊型部分顶部的宽度为14微米，多模波导的长度为350微米。
4）采用飞秒激光刻蚀出射端波导，该部分由两个左右对称分布的波导组成，其波导脊型部分顶部的宽度均为2微米。左右两侧波导中心距结构中轴线的距离均为3.75微米；出射波导的长度根据需求而定。
对于633nm入射光，采用三维bpm算法模拟，发现该分束器的分束比为1:1，忽略晶格缺陷及沟槽不均匀带来的散射损耗的前提下，对于准te偏振信号，器件的能量损耗仅为0.12db。由于该晶体各向同性，准tm偏振的能量损耗在相近水平。