СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ЗАПИСИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ
METHOD FOR LASER RECORDING OF INTEGRAL WAVEGUIDES

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу лазерной записи интегральных волноводов, основанному на локальном изменении показателя преломления стеклокристаллического материала сфокусированным излучением фемтосекундного лазера. Полученный результат может быть использован для создания волноводных устройств ИК оптики, в том числе термостабильных интегральных оптических схем.
2
3
2
Последние достижения в области микромодификации структуры прозрачных диэлектриков сверхкороткими лазерными импульсами повышают актуальность исследования прямой лазерной записи канальных волноводов и других интегральных оптических компонентов. Существует три основных типа волноводов, зависящих от изменения показателя преломления, вызванного лазерным воздействием на материал. Волноводы I типа основаны на лазерно-индуцированном увеличении показателя преломления сред, и их сердцевина может быть непосредственно записана лазерным лучом. В патенте US 6977137 В2 были подобраны режимы лазерной модификации структуры силикатного стекла с добавками оксидов BO и GeO. Канал с увеличенным показателем преломления формировался в объеме образцов лазерными импульсами, генерируемыми титан-сапфировым лазером, с длиной волны излучения 830 нм, энергией 0,1÷10 мкДж, длительностью импульсов 18 фс и частотой следования 1÷250 кГц. Лазерный луч фокусировался в объем образцов при помощи объективов 5х и 20х (NA = 0,15 и 0,30 соответственно). Скорость сканирования лазерным пучком варьировалась в пределах 5÷100 мкм/с.Использование достаточного большой энергии импульсов неизбежно приводит к формированию областей с повышенным внутренним напряжением, что в свою очередь пагубно сказывается на однородности волновода. Аналогичный результат описан авторами в патенте US 7568365 В2. Волноводы с увеличенным показателем в сердцевине относительно периферии формировались в боросиликатном стекле.
Общим недостатком методики фемтосекундного формирования сердцевины волновода является то, что модифицируется именно та область, по которой должен двигаться световой пучок. Данный подход приводит к изменению свойств материала, которое может быть неоднородным по длине трека. Кроме того, размеры волноводной моды ограничены размерами области перетяжки записывающего пучка.
2
3
2
3
4+
+
+
+
Более перспективным с точки зрения однородности является создание волноводов типов II и III, где путем локального модифицирования свойств материала формируется оболочка будущего световедущего канала, а сердцевиной служит немодифицированный материал. Данный подход требует отрицательного изменения показателя преломления при его локальном модифицировании. Известна работа, в которой формирование волноводов в ситаллах MgO-AlO-SiO системы, допированных ионами Cr, проводилось при помощи ионного обмена [US 7315683 В2]. Образцы магниевоалюмосиликатных ситаллов погружали в 1 моль % раствор Ag/KNO на 30 минут при 450°С, что приводило к диффузии ионов Ag и K в поверхностные слои, которые в свою очередь обеднялись катионами Na. Ионный обмен обеспечивает изменение показателя преломления от поверхности до 60 мкм в глубину образца на величину An = -0,044. При этом волноводом является сам образец, с потерями на распространение света 0,6 дБ/см. Недостатком данной методики является невозможность создания сложных волноводных архитектур в объеме образца ситалла.
2
Более перспективным с точки зрения создания интегральных оптических схем является запись световедущих микроканалов в объеме материала сфокусированным лазерным излучением. В патенте US 7132223 В2 описан способ записи канальных волноводов лазерным пучком в объеме кварцевого стекла и кристалла CaF. Суть методики заключается в перемещении фокуса пучка титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм, длительностью импульса 20÷50 фс, энергией 0,1÷20 мДж, частотой следования импульсов в кГц диапазоне по винтовой траектории со скоростью до 100 мкм/с и шагом 5 мкм/с, оставляя при этом нетронутой сердцевину будущего световедущего канала. Данный подход позволяет формировать вокруг не модифицированной сердцевины оболочку с пониженным показателем преломления. Снижение показателя преломления под действием лазерных импульсов обусловлено формированием микропустот в структуре материала. При этом диаметр сердцевины составляет 7÷10 мкм. Формирование микропустот снижает плотность оболочки и как следствие приводит к уменьшению показателя преломления. Недостатком описанной методики является необходимость проведения последующей термообработки образца, что нивелирует возникающий эффект светорассеяния от массива созданных в оболочке микропустот.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования волноводов с модифицированной оболочкой, заявленный в патенте WO 2005/040874 А2 «LASER INSCRIPTION OF STRUCTURES IN CRYSTALS)), который выбран в качестве прототипа. В нем заявлен метод лазерной записи оболочки волноводов с пониженным показателем преломления относительно сердцевины в кристалле иттрий-алюминиевого граната (YAG), легированного ионами неодима. Описанный результат достигается посредством обработки образца фемтосекундным лазерным излучением на длине волны 800 нм, с длительностью импульсов 120 фс, частотой следования 1 кГц и энергией 0,5 мДж. Фокусировка лазерного пучка производилась при помощи объектива с числовой апертурой, равной 0,65. Скорость сканирования лазерным пучком варьировалась в пределах 50÷500 мкм/с.Формируемая оболочка представляет собой набор параллельных треков, записанных на разной глубине фокусировки, что в конечном итоге приводит к созданию волновода с круглым поперечным сечением.
Недостатком данного способа являются большие энергии, необходимые для фемтосекундной модификации кристаллической фазы. При этом к настоящему времени не выяснена возможность применимости данного подхода к записи волноводов в объеме стеклокристаллических материалов.
Предлагаемое изобретение решает задачи записи в прозрачных стеклокристаллических материалах интегральных волноводов с пониженным показателем преломления в модифицированной оболочке.
Техническим результатом изобретения является лазерная запись цилиндрической оболочки волновода с пониженным показателем преломления в объеме прозрачной стеклокристаллической матрицы.
Указанный технический результат достигается способом записи интегральных волноводов, основанном на изменении показателя преломления прозрачного диэлектрика, включающим фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрика, движение сфокусированного пучка по заданной траектории и последовательную запись нескольких параллельных треков, ограничивающих область из немодифицированного материала, при этом в качестве прозрачного диэлектрика используют литиевоалюмосиликатный ситалл, а фемтосекундный лазер генерирует импульсы на длине волны 1030 нм, длительностью 180÷600 фс, с частотой следования 1÷100 кГц, энергией 200÷1000 нДж при перемещении сфокусированного лазерного пучка объективом с числовой апертурой 0,45÷0,65 со скоростью 200÷1000 мкм/с, с шагом между треками, формирующими цилиндрическую оболочку волновода, 3÷5 мкм.
В заявляемой работе применен метод фемтосекундной локальной лазерной аморфизации для записи оболочки волноводов в литиевоалюмосиликатных (ЛАС) ситаллах с близким к нулю температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Метод основан на том, что пространственно-селективный нагрев сфокусированным фемтосекундным лазерным пучком может вызывать частичную или полную аморфизацию кристаллических микроструктур, что приводит к локальному изменению показателя преломления ситалла.
Для записи оболочки волноводов использовалась установка на основе фемтосекундного лазера Pharos SP (Light Conversion Ltd), излучающего импульсы длительностью 18÷600 фс на длине волны 1030 нм. Лазерное модифицирование образцов ситаллов проводилось с частотой следования импульсов 1÷100 кГц, обеспечивающей атермический характер лазерного воздействия. Энергия лазерных импульсов варьировалась в пределах 200÷1000 нДж. Образец устанавливался на 3-осевом моторизированном высокоточном столике на пневмоприводе ABL1000, Aerotech. Серия параллельных треков, образующих аморфизированную цилиндрическую оболочку, была записана путем перемещения образца перпендикулярно направлению распространения сфокусированного лазерного луча со скоростью 200÷1000 мкм/с. Лазерный луч фокусировался при помощи объективов Olympus LCPLN20XIR (увеличение 20х, числовая апертура 0,45) и Olympus LCPLN50XIR (увеличение 50х, числовая апертура 0,65) с изменением глубины фокусировки от прохода к проходу, что позволяло формировать сердцевину волновода с практически круглым поперечным сечением, центрированным на глубине 150 мкм под поверхностью образца внутри оболочки (волновод III типа). Глубина записи волновода ограничена со стороны малых значений высотой поперечного сечения треков в верхней части оболочки, которое должно полностью находиться в объеме образца, а со стороны больших значений - рабочим расстоянием объектива и его возможностями по компенсации сферических аберраций, которые, как правило, корректируются в определенном диапазоне глубин фокусировки, зависящем от модели объектива. Для формирования сердцевины волновода с повышенным относительно оболочки показателем преломления, центрированным на определенной глубине под поверхностью образца, лазером записывается ряд параллельных треков на различной глубине фокусировки и расстоянии между соседними треками 3÷5 мкм, вместе формирующих область пониженного показателя преломления цилиндрической формы и расположенных таким образом, что поперечное сечение немодифицированного ситалла внутри этой области имеет форму круга диаметром 12÷24 мкм. После того как оболочка была записана, грани образца ситалла отполировывались таким образом, что оба конца волновода выводились на поверхность. Общая длина образца с изготовленными волноводами составила 17,3 мм.
Методом количественной фазовой микроскопии оценивалось изменение показателя преломления на длине волны 1045 нм в отдельных записанных лазером треках. Измерения проводились на оптическом моторизованном микроскопе Olympus ВХ61, оснащенном монохромной 14-битной ПЗС-камерой Retiga 3000 и объективом Olympus UPlanFL 10х (N.A. = 0,3).
Оценка оптических характеристик записанных волноводов проводилась на длине волны 1064 нм с использованием одномодового непрерывного лазера Nd:YAG. Прошедшее через волновод излучение собиралось объективом Olympus LCPLN IR 10х, который формировал профиль ближнего поля на CCD-камере Ophir Spiricon SP620U. Потери на распространение света в волноводах оценивали путем измерения оптического пропускания установки с образцом и без него с учетом потерь Френеля.
2
2
3
2
-7
-1
В качестве прозрачной стеклокристаллической матрицы используют ЛАС ситаллы, полученные путем двухстадийной термообработки стекла LiO-AlO-SiO системы в электрической печи, содержащие нанокристаллы β-эвкриптитоподобных твердых растворов, со значениями ТКЛР α=-5,0÷+1,8⋅10⋅K в диапазоне температур -80÷200°С. Методика их синтеза и режимы ситаллизации подробно описаны в патенте RU 2569703 С1.
Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.
-7
-1
Пример 1. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР -1,5⋅10⋅K. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 250 фс, частотой следования 1 кГц, энергией импульсов 300 нДж была сформирована аморфная оболочка волновода, состоящая из 20 треков, окружающих не модифицированную сердцевину диаметром 18 мкм. Расстояние между отдельными треками в формируемой оболочке составляло 3 мкм. Для фокусировки лазерного пучка использовали объектив с увеличением 5Ох и числовой апертурой 0,65. Лазерная обработка с указанными параметрами излучения приводила к формированию в образце ситалла на глубине 150 мкм относительно поверхности аморфной цилиндрической оболочки с показателем преломления ниже, чем в немодифицированной области. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как одномодовый с потерями на распространение света 2,4 дБ/с.
Пример 2. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце ситалла, указанном в примере 1. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 300 фс, частотой следования 50 кГц, энергией импульсов 500 нДж был сформирован канальный волновод с аморфной оболочкой, окружающей не модифицированную сердцевину, центрированной на глубине 150 мкм относительно поверхности образца. Волновод с диаметром сердцевины 18 мкм, как и в примере 1, состоял из серии 20 параллельных треков, с расстоянием между каждым 3 мкм. Для фокусировки лазерного пучка использовали объектив с увеличением 20х и числовой апертурой 0,40. Записанная оболочка обладает пониженным показателем преломления, относительно не модифицированной сердцевины. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как одномодовый с потерями на распространение света 3,5 дБ/с.
-7
-1
Пример 3. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР -5,0⋅10⋅K. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 180 фс, частотой следования 10 кГц, энергией импульсов 200 нДж была сформирована аморфная оболочка волновода, состоящая из 16 параллельных треков, окружающих не модифицированную сердцевину диаметром 12 мкм и центрированной на глубине 150 мкм относительно поверхности образца. Расстояние между отдельными треками в формируемой оболочке составляло 3 мкм. Аморфная оболочка обладает пониженным показателем преломления, относительно не модифицированной сердцевины волновода. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как одномодовый с потерями на распространение света 2,7 дБ/с.
-7
-1
Пример 4. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР +1,8⋅10⋅K. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 600 фс, частотой следования 100 кГц, энергией импульсов 1000 нДж была сформирована аморфная оболочка волновода, состоящая из 24 параллельных треков, окружающих не модифицированную сердцевину диаметром 24 мкм, и центрированная на глубине 150 мкм относительно поверхности образца. Расстояние между отдельными треками в формируемой оболочке составляло 5 мкм. Аморфная оболочка обладает пониженным показателем преломления, относительно не модифицированной сердцевины волновода. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как многомодовый со сравнительно высокими потерями на распространение света, превышающими 5 дБ/с.
Заявляемые пределы изменения параметров фемтосекундного лазерного излучения позволяют производить запись интегральных волноводов в объеме прозрачных ситаллов ЛАС системы с околонулевым значением ТКЛР, а варьирование геометрических размеров формируемой аморфной оболочки, окружающей не модифицированную сердцевину волновода, позволяет получать необходимые модовые характеристики и значения потерь на распространение света. Верхние и нижние границы указанных пределов параметров лазерной записи оболочки волноводов обусловлены возникновением различного рода дефектов, таких как: появление трещин, окружающих волновод, отсутствие четких границ немодифицированная сердцевина - оболочка, указывающее на незначительное изменение показателя преломления, прерывистость волноводной структуры на некоторых ее участках.