УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ВОЛНОВОДНОЙ СТРУКТУРЫ
DEVICE FOR PRODUCING INTEGRATED OPTICAL WAVEGUIDE STRUCTURE

Область техники
Изобретение относится к области изготовления трехмерных интегральных оптических волноводных микроструктур для прикладного использования в оптических приборах, волоконно-оптических системах связи и других областях науки и техники. Интегральные оптические волноводные микроструктуры привлекают внимание инженеров и исследователей, так как предоставляют возможность создания масштабируемых оптических схем, параметры которых устойчивы по отношению к внешним вредоносным факторам. Такие оптические схемы могут состоять из десятков и сотен оптических элементов (светоделители, фазовые пластины и т.д.), причем параметры элементов устанавливаются на этапе изготовления оптической схемы и впоследствии не требуют настройки.
Предшествующий уровень техники
Из уровня техники известны различные устройства для реализации способа фемтосекундной лазерной печати в объеме прозрачных материалов, например система, раскрытая в патенте US 8,644,356, опубликованном 04.02.2014, или системы, описанные в научных статьях К.М. Davies, К. Miura, N. Sugimoto, and К. Hirao, Optics Letters, Vol. 21, Issue 21, pp. 1729-1731, 1996, S.M. Eaton, ML. Ng, R. Osellame, P.R. Herman, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 357, Issues 11-13, pp. 2387-2391, 2011. Указанные устройства используются для изготовления интегральных оптических волноводных структур внутри объема прозрачного материала, при этом не решается проблема последующего сопряжения волноводной структуры с оптическим волокном.
В заявке US 2012/0325775 A1, опубликованной 27.12.2012, описано устройство для изготовления трехмерных микроструктур на основе эффекта многофотонной полимеризации. При этом облучают фоторезистивный материал лазерным излучением, которое инициирует процесс многофотонной полимеризации в области фокусировки лазерного излучения. Необлученная часть фоторезистивного материала после получения микроструктуры может быть удалена.
Недостатком данного устройства является ограниченное количество пригодных материалов, обладающих возможностью полимеризации и заданными оптическими свойствами.
В заявке US 2010/0136489 A1, опубликованной 03.06.2010, описано устройство для производства полимерных волноводов, которое включает в себя подложку с фоторезистивной полимерной мембраной, установленную на рабочую платформу, фемтосекундный лазер для фокусировки излучения в мембрану, а также линзы, установленные между подложкой и фемтосекундным лазером. Устройство позволяет записывать в полимерную мембрану волноводную структуру, обладающую высокой эффективностью. Однако в данном устройстве не решается проблема последующего согласования волноводной структуры с оптическим волокном.
Известно техническое решение, раскрытое в заявке CN 101576711, опубликованной 11.11.2009, которое включает в себя систему с фемтосекундным лазером, варьируемый аттенюатор, световой делитель, измеритель мощности, микрообъектив, мобильную платформу, перемещающуюся в трех направлениях, и ПЗС-камеру. Для создания волноводной структуры внутри прозрачного образца предварительно уменьшают излучение от лазера при помощи аттенюатора до требуемых размеров, обеспечивают вертикальное падение лучей на поверхность прозрачного материала с помощью и фокусировку излучения микрообъективом, что позволяет создать двухмерную или трехмерную волноводную структуру внутри образца за счет локального изменения показателя преломления.
Из уровня техники известна заявка US 2013/223788, опубликованная 29.08.2013, в которой описана установка для создания фотонных проводов, связывающих планарные фотонные интегральные системы и оптические волокна. При этом для создания проводов способом многофотонной полимеризации используются модуль управления, ПЗС-камера, объектив, сканирующие зеркала, в том числе на основе пьезоэлектрического эффекта, лазерный источник коротких импульсов, система позиционирования.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является устройство, включающее систему для записи в фоторезистивных материалах на основе процесса многофотонной полимеризации, раскрытое в заявке US 2014/0092372, опубликованной 03.04.2014. Устройство может включать фемтосекундный лазер, оптическую систему, включающую объектив для фокусировки излучения, зеркало, перемещаемое на основе пьезоэлектрического эффекта для точного направления лазерного пучка, систему измерения и контроля процесса записи, включающую ПЗС-камеру, систему контроля и регулировки параметров записи. Недостатком устройства является использование исключительно способа многофотонной полимеризации, который исключает возможность использования ряда материалов.
Недостатками указанных выше систем и устройств являются отсутствие непосредственного доступа к отдельным участкам интегральных оптических волноводных структур, что обусловливает сложность изготовления активных оптических элементов (например, электрооптического или термооптического фазовых модуляторов); отсутствие оптимального алгоритма проектирования топологии структуры с целью минимизации оптических потерь при вводе/выводе излучения из интегральной оптической волноводной структуры.
Раскрытие изобретения
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание активно контролируемых интегральных оптических волноводных микроструктур.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в увеличении качества сопряжения собственных мод интегральных оптических волноводных структур и оптических волокон, а также обеспечении открытого доступа к жилам волноводов.
1
2
2
1
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для изготовления интегральной оптической волноводной структуры в оптически прозрачном образце с показателем преломления n, включающее трехмерную систему перемещения обрабатываемого образца, электронный блок контроля, ПЗС камеру для наблюдения и выбора области пространства для обработки, пьезоэлектрический дефлектор и объектив, по крайней мере, один первый источник лазерного излучения для создания способом многофотонной полимеризации в местах пересечения волновода с торцами образца выводов, выступающих из поверхности торцов образца, содержит, по крайней мере, один второй источник фемтосекундного лазерного излучения, оптические элементы для фокусировки лазерного излучения при печати внутри образца, по крайней мере, одного волновода с показателем преломления n (n>n).
Чтобы увеличить коэффициент сопряжения входного излучения и собственных оптических мод волноводной структуры, следует обеспечить соосность геометрии при переходе от печати волновода лазерным пучком лучей от первого источника к созданию выводов способом полимеризации лазерным пучком от второго источника. Для этого предлагается первый источник и второй источник жестко соединить в пространстве и обеспечить их работе в одной системе координат.
В качестве второго источника может использоваться титан-сапфировый фемтосекундный лазер, а в качестве первого источника - иттербиевый волоконный лазер.
Образец может быть закреплен на поверхности системы позиционирования, которая представляет собой трехмерную систему перемещения на основе подшипников на воздушной подушке и линейных безщеточных моторов.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 изображена схема создания интегральной волноводной оптической структуры способом фемтосекундной лазерной печати. Пучок пишущего лазера 1 фокусируется в объеме образца 2, изготовленного из прозрачного материала. В объеме перетяжки пучка 3 образуется область с измененным показателем преломления относительно необлученного материала. Создание структуры заданной формы производится путем перемещения образца 2 относительно перетяжки пучка 3 вдоль заданной траектории. Вводной торец 4 и выводной торец 5 волноводной структуры 7 располагаются на гранях образца 2, перпендикулярных грани, через которую происходит облучение образца 2.
На фиг. 2 изображена форма сечений перетяжки 3 пишущего лазерного пучка 1. Сечение перетяжки 3, параллельное оси пучка 6, и имеет ассиметричную форму в силу дифракционных эффектов. Сечение перетяжки 3, перпендикулярное оси пучка, имеет симметричную форму (круг) в силу аксиальной симметрии пучка ТЕМ00 моды, излучаемой лазером.
На фиг. 3 изображена схема соосной геометрии ввода (4)/вывода (5) излучения в/из интегральной волноводной оптической структуры. Оси волноводов в области ввода 4 и вывода 5 параллельны оси пучка 6.
На фиг. 4 изображена общая схема устройства для создания интегральных оптических волноводных структур. Излучение лазерного источника 8 с помощью оптических элементов 9 направляется на образец 2, закрепленный на трехмерной системе позиционирования 10. Для визуализации процесса создания структур аддитивным способом на основе эффекта многофотонной полимеризации используется система визуализации 11. Управление процессом создания интегральных оптических волноводных структур осуществляется с помощью электронного блока контроля 12.
На фиг. 5 изображена схема возможной реализации устройства для создания интегральных оптических волноводных структур. В качестве источника 8 используется комбинация титан-сапфирового фемтосекундного лазера 13 и иттербиевого волоконного лазера 14. С помощью пассивных оптических элементов 15 и пьезоэлектрического дефлектора 16 лазерное излучение направляется на входную апертуру фокусирующего объектива 17. Излучение фокусируется внутри объема образца 2. Образец 2 закреплен на трехмерной системе позиционирования на воздушной подушке 19. Визуальный контроль процесса изготовления трехмерных структур аддитивным способом на основе эффекта многофотонной полимеризации осуществляется с помощью ПЗС-камеры 18. Сопряжение элементов 13, 14, 16, 18 и 19 комплекса осуществляется с помощью электронного блока контроля 20.
Осуществление изобретения
Изобретение осуществляется за счет использования комбинации способа фемтосекундной лазерной печати и эффекта многофотонной полимеризации в процессе изготовления интегральной оптической волноводной структуры, и соосной геометрии ввода/вывода излучения из полученных структур (фиг. 3). Соосная геометрия ввода/вывода позволяет добиться круглого поперечного сечения волновода, что приводит к увеличению качества сопряжения собственных мод интегральных оптических волноводных структур и оптических волокон.
В предлагаемом устройстве для изготовления трехмерных интегральных оптических волноводных структур используется комбинация способа фемтосекундной лазерной печати в прозрачных материалах (стекла, кристаллические материалы, прозрачные пластики) и эффекта многофотонной полимеризации. Способ фемтосекундной лазерной печати предоставляет возможность создавать трехмерные интегральные оптические волноводные структуры в объеме твердого прозрачного материала неинвазивным способом. Способ многофотонной полимеризации позволяет создавать оптически прозрачные трехмерные структуры путем пространственно селективной полимеризации фоторезистивного материала.
Функциональная схема устройства, предназначенного для изготовления интегральных оптических микросхем с открытым доступом к жилам волноводных структур, представлена на фиг. 4. Устройство включает в себя источник лазерного излучения 8, набор оптических компонентов 9, осуществляющих разводку, подготовку и фокусировку лазерного излучения, систему позиционирования 10 обрабатываемого образца 2, систему визуализации 11 обрабатываемой области и электронный блок контроля 12 процесса изготовления структур. В фокальном объеме образуется область, обладающая показателем преломления, отличным от показателя преломления необработанного вещества. Процесс записи волноводных структур осуществляется путем контролируемого перемещения обрабатываемого образца по заданной траектории относительно фокальной перетяжки лазерного пучка. Описанный способ позволяет записывать волноводные структуры произвольной трехмерной конфигурации. Материал образца выбирается таким образом, чтобы вещество было оптически прозрачным в линейном приближении на фундаментальной длине волны записывающего лазера (под фундаментальной длиной волны здесь и далее имеется ввиду длина волны, на которой происходит запись волноводной структуры в объеме образца 2). Поглощение энергии фемтосекундного лазерного импульса в объеме прозрачного диэлектрического материала осуществляется за счет эффектов многофотонной и туннельной ионизации, приводящих к рождению облака плазмы в фокальном объеме. Возникший в результате воздействия передним фронтом импульса газ свободных электронов при достижении критической плотности начинает поглощать энергию лазерного излучения, содержащуюся в хвостовой части импульса. За счет пороговой природы эффектов многофотонной и туннельной ионизации удается добиться высокого пространственного разрешения при обработке прозрачных материалов. После окончания взаимодействия между веществом и фемтосекундным лазерным импульсом энергия, накопленная в фокальном объеме, начинает рассеиваться путем электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействий. Изменение показателя преломления внутри фокального объема происходит в связи с изменением структуры вещества, возникающего при нагреве до температур, близких к точке плавления обрабатываемого материала. При условии жесткой фокусировки излучения (т.е. когда размер перетяжки сравним с длиной волны по порядку величины) за счет эффекта тепловой диффузии удается добиться областей изменения локального показателя преломления, по форме близких к сферической. При последовательно обработке соседних областей пространства в веществе можно добиться создания однородной структуры с показателем преломления, отличным от необработанного объема вещества.
Как уже было отмечено выше, описанный способ изготовления волноводных структур обладает существенным недостатком - отсутствием прямого доступа к жиле волновода в процессе создания интегральной оптической волноводной структуры. Для преодоления данного недостатка предлагается использовать способ изготовления трехмерных структур, основанный на эффекте многофотонной полимеризации фоторезистивных веществ. Участок волновода, на котором необходимо обеспечить прямой доступ к жиле волновода, пропечатывается в специальной геометрии, обеспечивающей вывод концов участка на поверхность обрабатываемого образца (фиг. 5). Вывод концов производится в соосной геометрии, соответствующей рисунку фиг. 3. Выведенные на поверхность концы волноводов соединяются между собой прозрачной волноводной структурой, изготовленной способом многофотонной полимеризации.
Способ создания структур, основанный на эффекте многофотонной полимеризации, в отличие от способа фемтосекундной лазерной печати интегральных оптических волноводных структур является аддитивным способом изготовления структур. Под аддитивностью понимается создание структур путем добавления нового материала, а не удаления или изменения структуры материала заранее приготовленного образца. Идея способа состоит в облучении фоторезистивного материала жестко сфокусированным излучением фемтосекундного лазера, что приводит к образованию областей полимеризованного вещества, пространственные размеры которых могут составлять десятки нанометров. Пороговая природа эффекта многофотонной полимеризации предоставляет возможность подбирать параметры облучающего лазера и фокусирующей оптики таким образом, чтобы создавать полимеризованные области заданного размера и формы. Для инициирования процесса многофотонной полимеризации необходима высокая плотность мощности облучающего лазерного излучения, достигаемая лишь в малой пространственной области, содержащейся внутри фокального объема. Фоторезистивный материал состоит из молекул мономеров (99% от общего числа молекул), хромофоров и фотоинициаторов. В результате явления многофотонного поглощения электроны молекул хромофора внутри фокального объема поглощают сразу по несколько квантов облучающего лазера и переходят в возбужденное состояние. В процессе релаксации из возбужденного состояния электроны молекул хромофора излучают фотоны, близкие по частоте к частоте фотонов облучающего лазера, умноженной на число квантов, участвующих в процессе многофотонного поглощения. Эти фотоны (с частотой в ультрафиолетовом диапазоне), в свою очередь, поглощаются молекулами фотоинициаторов, возбуждение которых запускает процесс образования свободных радикалов за счет обрыва двойных связей или колец молекул мономеров. Молекулы свободных радикалов начинают присоединять к себе молекулы мономеров, и, таким образом, образуется плотная трехмерная полимерная сетка. Процесс полимеризации заканчивается тогда, когда все оборванные связи замыкаются друг на друга. Перемещая фокальный объем облучающего лазера внутри фоторезистивного материала, наращивается массив полимеризованного вещества в соответствии с формой желаемой структуры.
Используя способ многофотонной полимеризации, в выбранной области пространства создается трехмерная структура произвольной формы. На поверхности прозрачной заготовки, содержащей интегральную оптическую волноводную структуру, выполненную способом фемтосекундной лазерной печати, выбирается участок, на котором на поверхность выведены концы волновода, лежащего в объеме заготовки. С помощью системы визуализации определяется положение концов волновода. Далее, используя способ многофотонной полимеризации, на поверхности заготовки наращивается трехмерная структура, осуществляющая связь между выведенными на поверхность концами волноводов. Неполимеризованный фоторезистивный материал удаляется с поверхности заготовки. В результате один из участков интегральной волноводной оптической структуры, напечатанной в объеме прозрачного материала способом фемтосекундной лазерной печати, изготовлен таким образом, что к нему обеспечен прямой доступ на поверхности заготовки. Такой участок пригоден для дальнейшей модификации волноводной структуры, например создания активного термооптического модулятора.
th
bg
cr
Лазерная система 8 является одним из трех ключевых элементов устройства, предназначенного для изготовления интегральных оптических волноводных структур. Для того, чтобы обеспечить возможность печати волноводов внутри объема прозрачного диэлектрического материала, параметры лазерной системы должны удовлетворять ряду требований. Во-первых, пиковая интенсивность импульсного излучения должна превышать пороговое значение I, определяемое шириной запрещенной зоны обрабатываемого материала E, числовой апертурой фокусирующей оптики NA, длиной волны пишущего излучения λ, длительностью импульса τ и критической мощностью самофокусировки P в соответствии с неравенством
Во-вторых, длительность импульса должны перестраиваться в диапазоне от сверхкоротких импульсов (десятки фемтосекунд и меньше) до умеренно коротких импульсов (сотни фемтосекунд). Это требование связано с необходимостью реализации двух различных режимов фемтосекундной лазерной обработки. Первый режим ответственен за запись волноводных структур в аморфных и твердых прозрачных материалах (например, стекла, кристаллы, пластики) и характеризуется обработкой умеренно короткими лазерными импульсами. Второй режим ответственен за создание структур способом многофотонной полимеризации в фоторезистивных материалах и характеризуется обработкой сверхкороткими лазерными импульсами.
В-третьих, частота следования импульсов фемтосекундного лазерного излучения должна быть перестраиваема в диапазоне от 1 Гц до десятков МГц. Это условие обусловлено необходимостью точной настройки времени экспонирования перемещаемого образца в зависимости от материала, из которого изготовлен образец, в процессе печати оптических волноводных структур. Более того, для того чтобы создать условия обработки, при которых соседние облучаемые объемы эффективно сплавляются, необходимо, чтобы частота следования импульса была примерно равна обратной величине времени тепловой диффузии в обрабатываемом материале.
В-четвертых, лазерная система должна обладать возможностью перестройки длины волны лазерного излучения. Изготовление структур способом многофотонной полимеризации требует точного подбора длины волны обрабатывающего излучения в соответствии с энергией активации химической реакции полимеризации облучаемого фоторезистивного материала. Энергия активации изменяется в зависимости от химического состава фоторезистивного материала.
Набор оптических элементов 9, осуществляющих разводку, подготовку и фокусировку лазерного излучения, обеспечивает доставку лазерного излучения с заданными характеристиками к обрабатываемому образцу. Набор элементов 9 должен включать комплект зеркал с высоким коэффициентом отражения на каждой из длин волн лазерного источника, прецизионный пьезоэлектрический дефлектор, который обеспечивает прецизионную печать структур путем смещения перетяжки лазерного пучка относительно неподвижного обрабатываемого образца и управляется с помощью электронного блока контроля 12, и комплект апохроматических объективов с числовыми апертурами в диапазоне от 0,2 NA до 1,25 NA. Как было указано выше, пороговая энергия многофотонных процессов поглощения лазерного излучения определяется, в частности, числовой апертурой фокусирующей оптики.
Система позиционирования 10 должна обеспечивать, во-первых, трансляционные перемещения обрабатываемого образца 2 с субмикрометрической точностью. Данное требование диктуется характерными пространственными масштабами изготавливаемых структур. Величина поперечного сечения оптического волновода в зависимости от длины волны может принимать значения от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров. Характерные масштабы структур, изготавливаемых способом многофотонной полимеризации, также лежат в области десятков микрометров. Во-вторых, скорость перемещения образца должна перестраиваться в диапазоне от 0 до сотен миллиметров в секунду. Скорость перемещения определяет время экспонирования области обрабатываемого материала.
Система визуализации 11 представляет собой электронное устройство, с помощью которого изображение фокальной плоскости объектива, фокусирующего лазерное излучение внутри образца 2, передается на электронный блок контроля 12.
Электронный блок контроля 12 процесса изготовления включает в себя устройства, контролирующие выходные параметры источника лазерного излучения, устройство, контролирующее пьезоэлектрический дефлектор, устройство, контролирующее перемещение образца с помощью системы позиционирования, и устройство, выполняющее функцию сопряжения всех перечисленных выше приборов с целью создания единой системы контроля процесса изготовления интегральных оптических волноводных структур.
d
Схема одного из возможных вариантов реализации устройства по созданию интегральных оптических волноводных структур с прямым доступом к жилам оптических волноводов представлена на фиг. 5. Источником лазерного излучения выступает комбинация титан-сапфирового твердотельного 13 и иттербиевого волоконного 14 фемтосекундных лазеров. Иттербиевый волоконный лазер 14 обеспечивает режим генерации умеренно коротких фемтосекундных импульсов (300-600 фс) с частотой повторения в диапазоне от 100 кГц до 3 МГц. Данный диапазон частот удобен для обработки стекол и кристаллов, т.к. величина времени тепловой диффузии τ в данных материалах составляет несколько микросекунд. Фундаментальная длина волны излучения иттербиевого лазера 14 равна 1030 нм и лежит в окне прозрачности большинства распространенных стекол и кристаллов (например, плавленый кварц, боросиликатные стекла, ниобат лития). Титан-сапфировый твердотельный фемтосекундный лазер 13 обеспечивает режим генерации сверхкоротких фемтосекундных импульсов (10-100 фс) с частотой повторения несколько десятков МГц. Обе лазерные системы оснащены акустооптическим модулятором, позволяющим активно регулировать частоту повторения и мощность выходного излучения, а также переключаться между режимами генерации, оптимизированными либо для печати интегральных оптических волноводных структур в объеме известного прозрачного материала, либо для создания структур способом многофотонной полимеризации.
Выходное излучение лазерной системы с помощью зеркала 15 и дефлектора 16 направляется на вход фокусирующего объектива 17. Пьезоэлектрический дефлектор обеспечивает прецизионное перемещение перетяжки лазерного пучка. Фокусирующий объектив 17 устанавливается таким образом, чтобы обеспечить возможность быстрой замены.
Обрабатываемый образец закрепляется на поверхности системы позиционирования 19. Система позиционирования 19 представляет собой трехмерную систему перемещения на основе подшипников на воздушной подушке и линейных безщеточных моторов. Перемещение образца 2 происходит в двух режимах. Первый режим заключается в плавном перемещении с постоянной скоростью вдоль заданной траектории, что соответствует печати волноводной структуры заданной формы в объеме твердого прозрачного материала. Во втором режиме система позиционирования 19 перемещает образец 2 с определенным шагом размером порядка десятков микрометров. Каждая область последовательно обрабатывается путем перемещения образца 2 с помощью системы позиционирования в одном направлении и перемещении фокальной области лазерного пучка с помощью пьезоэлектрического дефлектора 16 в двух взаимно перпендикулярных направлениях, попарно перпендикулярных первому направлению. Второй режим перемещения образца соответствует изготовлению структур способом многофотонной полимеризации фоторезистивного материала (например, фоторезиста SU-8, OrmoComp и т.д.). Наблюдение и выбор области пространства для обработки осуществляются с помощью ПЗС камеры 18.
Сопряжение элементов 13, 14, 16, 18 и 19 осуществляется с помощью электронного блока контроля 20.