СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОДНОМОДОВОГО СВЕТОПРОВОДЯЩЕГО КАНАЛА В ПРОЗРАЧНОМ ДИЭЛЕКТРИКЕ ПУТЕМ МОДИФИКАЦИИ СТРУКТУРЫ ДИЭЛЕКТРИКА Российский патент 2000 года по МПК G02B6/13 

Изобретение относится к технике изготовления световодов типа оптического волновода, а именно светопроводящих каналов, и может быть использовано для создания оптических усилителей и/или оптических генераторов, которые применяются в волоконно-оптической связи, а также может быть использовано для изготовления элементов трехмерной памяти.

В технике волоконно-оптической связи в настоящее время существует проблема создания оптических усилителей и оптических генераторов в интегрально-оптическом исполнении, содержащих массивную подложку, внутри которой сформирован одномодовый светопроводящий канал. Светопроводящий канал изготавливают путем изменения, а именно, увеличения тем или иным способом показателя преломления материала в месте предполагаемого формирования канала по сравнению с величиной показателя преломления окружающего материала. В частности, в германосиликатном стекле изменение показателя преломления осуществляют за счет воздействия на стекло лазерным излучением УФ диапазона с длиной волны от 275 нм до 390 нм (патент РФ N 2097803, М.кл.⁶ G 02 В 6/124, опубл. 1997 г.).

Известен способ изготовления одномодового светопроводящего канала в лазерно активной среде, например в массивной подложке из фторированного стекла с примесью празеодима, позволяющий получить изменение показателя преломления материала в канале по сравнению с показателем преломления подложки в пределах от 4 • 10^-3 до 8 • 10^-2 (патент Франции N 2675592, М.кл.⁵ G 02 В 6/12, опубл. 1992 г.). В этом способе одномодовый светопроводящий канал формируют вблизи поверхности подложки локальной диффузией свинца, например путем бомбардировки ионами свинца поверхности подложки через соответствующую маску. После этого, для уменьшения потерь оптического излучения в канале, поверхность подложки, содержащую канал, покрывают слоем из того же фторированного стекла. Затем осуществляют дополнительное покрытие эпоксидной смолой. Недостатки этого способа связаны с тем, что он является длительным, сложным и дорогостоящим.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике путем модификации структуры диэлектрика с помощью излучения фемтосекундного лазера (K. Miura et al. "Photowritten optical waveguides in various glasses with ultrashort pulse laser", Appl. Phys. Lett. v. 71, N 23, p. 3329-3331, 1997), который выбран в качестве прототипа. Способ прототип включает в себя формирование воздействующего излучения в виде последовательности импульсов с длительностью отдельного импульса 120 фс (фемтосекунд), энергией в импульсе порядка 5 мкДж и частотой повторения импульсов 200 кГц, фокусировку этого излучения с помощью короткофокусной линзы в начало выбранной области внутри диэлектрического образца и прецизионное перемещение образца относительно зоны фокусировки в направлении оси лазерного луча. Способ прототип позволяет изготавливать одномодовый светопроводящий канал длиной от 40 мкм до нескольких миллиметров при диаметре канала (8 - 10) мкм. При этом формирование светопроводящего канала осуществляют в режиме "от точки к точке", прецизионно перемещая образец относительно точки обработки (зоны фокуса короткофокусной линзы). Модификация структуры прозрачного диэлектрика в обрабатываемой точке с диаметром (8 - 10) мкм происходит в данном способе за счет многофотонных процессов, для осуществления которых в каждую обрабатываемую точку направляют порядка 12000 фемтосекундных импульсов. При указанной скорости прецизионного перемещения 20 мкм/с для изготовления канала длиной 10 мм требуется время порядка 10 мин и количество импульсов порядка 10⁸. Причем для воспроизводимости результатов все эти импульсы должны быть эквидистантны и стабильны по длительности и по энергии, что само по себе является не простой технической задачей. Кроме того, к недостаткам прототипа относится ограничение длины (продольного размера) изготавливаемого канала, т.к. только короткофокусная линза (с фокусным расстоянием < 1 см) обеспечивает в прототипе требуемый поперечный размер (8 -10) мкм зоны обработки и соответственно требуемый поперечный размер канала. Выбор линзы с большим фокусным расстоянием хотя и может обеспечить больший продольный размер канала, но приведет к увеличению его поперечного размера, что не позволит изготовить одномодовый светопроводящий канал. Необходимость непрерывного прецизионного перемещения образца относительно зоны обработки и выбор определенной скорости его перемещения также вносят определенные трудности в реализацию способа прототипа.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике, позволяющего формировать упомянутый канал за один импульс излучения фемтосекундного лазера. Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике, так же как и способ прототип, включает в себя формирование воздействующего излучения фемтосекундного лазера и фокусировку этого излучения на выбранную область в диэлектрическом образце.

Новым в разработанном способе является то, что для изготовления одного светопроводящего канала используют излучение одиночного импульса, которое фокусируют в выбранную область диэлектрика с помощью аксикона, при этом энергию импульса выбирают такой, чтобы интенсивность излучения J₀ вдоль оси аксикона (вдоль его фокуса) превышала пороговую интенсивность ионизации J_пор. обрабатываемого диэлектрика.

В частном случае при изготовлении нескольких светопроводящих каналов в одном диэлектрическом образце для изготовления любого (n + 1)-го светопроводящего канала (где n = 1, 2, 3...), осуществляют или n параллельных перемещений образца в направлении, перпендикулярном оси аксикона, или n угловых перемещений образца вокруг оси, параллельной оси аксикона.

Технический результат - создание одного светопроводящего канала с помощью излучения одного фемтосекундного импульса достигается в разработанном способе за счет того, что в выбранной области диэлектрика в течение длительности одного импульса создают условия для образования плазмы, которая в свою очередь обеспечивает поглощение излучения и, как следствие, модификацию структуры вещества в выбранной области.

Влияние указанных в формуле изобретения существенных признаков на достижение указанного технического результата можно пояснить следующим образом.

Аксиконная линза (аксикон) фокусирует падающий на нее пучок излучения в нить, вытянутую вдоль ее оси. Авторы показали, что в силу такой геометрии аксиконной фокусировки, используя излучение лишь одного импульса фемтосекундного лазера с энергией импульса порядка нескольких миллиджоулей (мДж), можно создавать внутри прозрачного диэлектрика интенсивность излучения J > 10¹⁴ Вт/см², т.е. превышающую пороговую интенсивность ионизации J_пор. диэлектрика. При такой высокой интенсивности излучения ионизация диэлектрика, т. е. образование плазмы, происходит уже на переднем фронте лазерного импульса. Остальная часть энергии импульса поглощается этой образовавшейся вдоль линии фокусировки плазмой. В результате чего происходит очень быстрый, сильный нагрев (до 10⁶ К) области фокусировки, занятой плазмой, и, следовательно, здесь развивается огромное давление (порядка 10⁸ Бар). В этих экстремальных условиях температуры и давления после прохождения импульса происходит модификация структуры вещества диэлектрика (что подтверждено экспериментально). Вследствие чего вдоль линии фокусировки аксикона образуется светопроводящий канал с измененным показателем преломления. Продольный и поперечный размеры канала определяются геометрией фокусировки (углом при вершине аксикона), энергией импульса и параметрами материала диэлектрика. В зависимости от материала образца и энергии импульса получены одномодовые светопроводящие каналы длиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров с поперечным размером от 0,5 мкм до нескольких единиц микрон.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего разработанный способ.

На фиг. 2 представлена фотография одномодового светопроводящего канала в кварце, сделанная с помощью микроскопа.

Устройство на фиг. 1 содержит задающий фемтосекундный лазер 1, снабженный формирователем 2 воздействующих импульсов, аксикон 3 и установленный в области его фокуса обрабатываемый диэлектрический образец 4, в котором изготавливают светопроводящий канал 5.

В качестве задающего фемтосекундного лазера 1 может быть использован, например, серийно выпускаемый фирмой Spectra Physics (США) лазер "Tsunami". В качестве формирователя 2 воздействующих импульсов может быть использована общепринятая в настоящее время схема усиления фемтосекундных импульсов, известная по работе Strickland D., Mouron G. Opt. Commun. v. 56, p. 219, 1985. Аксикон 3 выполнен из однородного оптического стекла К-8. В примере конкретной реализации использован аксикон 3 с углом при вершине 140^o. Светопроводящий канал 5 или несколько параллельных каналов могут быть изготовлены разработанным способом в любом прозрачном диэлектрике 4, например кварце, флюорите, сапфире, алмазе, стекле и полимерных материалах. Для установки в зону фокуса аксикона 3 диэлектрический образец 4 должен быть выполнен в виде обработанной плоскопараллельной пластины. Изготовленные светопроводящие каналы 5 контролируются с помощью микроскопа (на чертеже не показан).

Разработанный способ изготовления светопроводящих каналов реализуют следующим образом (см. фиг. 1).

Из излучения задающего фемтосекундного лазера 1, обеспечивающего стандартный режим генерации фемтосекундных импульсов с энергией 1 - 3 нДж и частотой следования 100 МГц, с помощью формирователя 2 формируют последовательность воздействующих импульсов с энергией в импульсе 5 мДж и частотой следования 10 Гц. Это излучение аксиконом 3 с углом при вершине 140^o фокусируют в выбранную область диэлектрического образца 4 из плавленного кварца, имеющего величину пороговой интенсивности ионизации J_пор. порядка 10¹⁴ Вт/см². Выбранная геометрия аксиконной линзы 3 и указанная энергия одиночного импульса обеспечивают интенсивность J₀ излучения вдоль оси аксикона (линии фокусировки) 5 • 10¹⁴ Вт/см², что обеспечивает процесс модификации структуры плавленного кварца в выбранной области образца 4 и формирование одномодового светопроводящего канала 5.

Вид участка изготовленного одномодового светопроводящего канала 5, сфотографированный с помощью микроскопа, представлен на фиг. 2. Цена деления на масштабной линейке 6 составляет 10 мкм. Поперечный размер канала 5 равен 1,5 мкм, продольный размер приведенного на фотографии участка канала 5 равен 100 мкм. Полный продольный размер всего канала 5 равен толщине образца 4 (20 мм).

Соседний светопроводящий канал изготавливают с помощью другого одиночного фемтосекундного импульса после либо параллельного смещения образца 4 на выбранную величину в направлении, перпендикулярном оси аксикона 3, либо после поворота образца 4 на выбранный угол вокруг оси, параллельной оси аксикона 3.

Способ используется для создания оптических усилителей или оптических генераторов, которые применяются в волоконно-оптической связи, и для изготовления элементов трехмерной памяти. Способ позволяет изготавливать один светопроводящий канал за один импульс фемтосекундного лазера. Воздействующее излучение фокусируют в выбранную область диэлектрика с помощью аксикона. Энергию импульса выбирают такой, чтобы интенсивность излучения вдоль оси аксикона, т.е. вдоль его фокуса, превышала пороговую интенсивность ионизации обрабатываемого диэлектрика. Обеспечено упрощение способа изготовления оптических волноводов. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике путем модификации структуры диэлектрика, включающий формирование воздействующего излучения фемтосекундного лазера и фокусировку этого излучения на выбранную область в диэлектрическом образце, отличающийся тем, что для изготовления одного светопроводящего канала используют излучение одиночного фемтосекундного импульса, которое фокусируют в выбранную область диэлектрика с помощью аксикона, при этом энергию импульса выбирают такой, чтобы интенсивность излучения J₀ вдоль оси аксикона (вдоль его фокуса) превышала пороговую интенсивность ионизации J_пор обрабатываемого диэлектрика. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изготовления (n + 1)-го светопроводящего канала осуществляют или n параллельных перемещений образца в направлении, перпендикулярном оси аксикона, или n угловых перемещений образца вокруг оси, параллельной оси аксикона.