Сверхбыстрые волноводы с лазерной надписью во фторидном стекле: передовая технология для среднего бизнеса

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 14674 (2022) Цитировать эту статью

1369 Доступов

2 цитаты

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Стекло из фторида циркония (ZBLAN), стандартный материал, используемый в фотонике среднего инфракрасного диапазона на основе волокон, было переработано, чтобы обеспечить возможность изготовления волноводов с высоким показателем контрастности и низкими потерями посредством прямой записи фемтосекундным лазером. Мы демонстрируем, что в отличие от чистого ZBLAN в гибридных циркониевых/гафниевых (Z/HBLAN) стеклах во время сверхбыстрой лазерной записи может быть вызвано положительное изменение индекса, близкое к 10–2, и показываем, что это можно объяснить эффектом искажения электронного облака. это обусловлено существованием двух стеклообразователей с контрастной поляризуемостью. Успешно были изготовлены волноводы типа I с высокой числовой апертурой (NA), которые поддерживают хорошо ограниченную моду с длиной волны 3,1 мкм и диаметром поля моды (MFD) всего 12 мкм. Эти открытия открывают двери для производства интегрированных фотонных устройств среднего инфракрасного диапазона, которые можно легко подключить к существующим волокнам ZBLAN.

Технология оптического волокна на основе кварцевого стекла произвела революцию в таких разнообразных областях применения, как телекоммуникации и производство (например, лазерная резка и сварка), предоставив надежную и эффективную интегрированную платформу для генерации видимого и ближнего инфракрасного света. Однако для длин волн более 2,5 мкм кварцевые волокна становятся практически непрозрачными, и необходимо использовать альтернативные материалы из мягкого стекла. За последние годы технология фторидного волокна на основе стекла ZBLAN1 показала большие перспективы и теперь, наконец, достигла той стадии зрелости, когда она готова инициировать аналогичный прорыв в среднем инфракрасном диапазоне2. Например, оптоволоконные источники суперконтинуума в среднем инфракрасном диапазоне способны генерировать электромагнитное излучение с диапазоном длин волн и яркостью синхротрона, занимая при этом площадь настольного прибора3, что обеспечивает быстрое спектральное картографирование с помощью сигнального устройства. отношение сигнал/шум (SNR), превосходящее соотношение, достижимое с помощью синхротронного источника, и за более короткое время сбора данных4. Однако для того, чтобы технология среднего инфракрасного диапазона стала действительно революционной технологией, необходима разработка систем, развертываемых в полевых условиях, то есть систем, которые способны работать в суровых, а иногда даже экстремальных условиях окружающей среды, что резко контрастирует с чисто лабораторными испытаниями. необходимы принципиальные инструменты. Предпосылкой для этого является наличие коннекторных (т.е. оптоволоконных) и, следовательно, компактных и надежных интегрированных оптических компонентов, таких как разветвители, соединители, циркуляторы и элементы, селективные по длине волны, и это лишь некоторые из них. Хотя все они легко доступны в готовом виде для систем на основе кварцевого стекла, работающих в ближнем ИК-диапазоне, эквивалентные компоненты для среднего инфракрасного диапазона все еще в значительной степени отсутствуют из-за проблем, связанных с высоким тепловым расширением, гигроскопичностью и высокой вязкостью. температурная кривая для большинства материалов среднего инфракрасного диапазона, включая фториды. Кроме того, на сегодняшний день производители устройств для сращивания не предлагают оборудования, полностью предназначенного для мягкого стекла, поэтому трудно обеспечить контроль высокой температуры, необходимый около 250–350 ° C для обработки в оптимальных условиях с фторидными волокнами5,6. В этой работе мы представляем потенциальное решение этой фундаментальной проблемы.

Сверхбыстрая лазерная надпись (ULI) — это хорошо изученный и используемый метод изготовления скрытых оптических волноводов внутри различных стекол7. Хотя этот метод потенциально может решить «узкое место в среднем инфракрасном диапазоне», было показано, что стандартное стекло ZBLAN реагирует лишь на очень ограниченное индуцированное положительное/отрицательное изменение индекса во время ULI, и поэтому практически все зарегистрированные устройства ULI ZBLAN основаны на подход к нанесению надписи на депрессивной оболочке, приводящий к низкой числовой апертуре и большой площади направления моды8,9. Эти структуры успешно использовались для создания волноводных лазеров в активных очках ZBLAN10, но имеют ограниченное применение при реализации других оптических компонентов, где требуются низкие потери и согласование мод с оптическими волокнами среднего инфракрасного диапазона с высокой числовой апертурой. Исчерпывающую информацию обо всех методах, используемых для настройки показателя преломления в стекле ZBLAN, включая технику формирования щелей, можно найти в ссылке 11. Другие прозрачные материалы для среднего инфракрасного диапазона, такие как германаты свинца 12, галлогерманаты 13, теллуриты 14 и халькогениды 15,16, использовались в качестве подложек для волноводов с лазерной надписью в этом диапазоне длин волн. В этой группе стекло из суфида галлия-лантана (GLS) является наиболее привлекательным стеклом, демонстрирующим волноводство с низкими потерями на более длинных волнах (>3 мкм)17. Но все эти стекла по своей природе имеют высокий показатель преломления, что приводит к высоким потерям связи в конструкциях фторидных волокон с более низким показателем преломления. Даже если промежуточная ступень спроектирована для уменьшения потерь связи, большая разница в коэффициенте теплового расширения (КТР) между указанными материалами и фторидными волокнами создает дополнительные проблемы управления температурой для приложений с высокой мощностью. КТР стекла ZBLAN составляет \(\приблизительно\) 18 × 10\(^{-8}\) К\(^{-1}\)18, тогда как у GLS он более чем на два порядка выше \(\ прибл\) 6 × 10\(^{-6}\) К\(^{-1}\)19.