Способ изготовления устройства поверхностной аксиальной нанофотоники Российский патент 2020 года по МПК G02B6/02 B82Y40/00 B82Y20/00 

Область техники

Настоящее изобретение входит в сферу изготовления и характеризации микрорезонаторных оптических устройств и также принадлежит области волоконной оптики. В частности, оно имеет дело с производством так называемых устройств поверхностной аксиальной нанофотоники (surface nanoscale axial photonics, SNAP), основанных на формировании кольцевых микрорезонаторов мод шепчущей галереи (МШГ) в цилиндрической области у поверхности оптического волокна [1]. Такие индивидуальные устройства и сложные системы из связанных микрорезонаторов имеют огромный потенциал в области оптических коммуникаций [2, 3], биомедицины [4], спектрометрии [5], оптической обработки информации [6, 7], сенсоров [8, 9] и т.д.

В связи с этим приобретают актуальность эффективные методы изготовления таких устройств, а также методы контроля их параметров, применимые в промышленных масштабах. Хотя указанная технология чрезвычайно перспективна, она является относительно новым изобретением [10], вследствие чего необходимые методы пока не получили значительного развития, сверх того, что было предложено их изобретателями. На данный момент, по сути, единственный предложенный метод изготовления устройств поверхностной аксиальной нанофотоники имеет ряд ограничений, которые препятствуют его применению в промышленном производстве и ограничивают достижимые параметры устройств. В силу этого, есть актуальная необходимость в разработке более масштабируемых и простых в реализации методов изготовления, которые будут способствовать широкому внедрению устройств поверхностной аксиальной фотоники во многие отрасли науки и промышленности.

Уровень техники

До настоящего времени, микрофотонные устройства в основном изготавливались на основе кольцевых микрорезонаторов по технологии полупроводниковой литографии [11], микросфер [12] и т.п. Хотя указанные технологии также используют моды шепчущей галереи и получили известные области применения, все они имеют существенные недостатки, которые и привели, в частности, к изобретению принципа поверхностной аксиальной фотоники.

Например, использование литографических методов изготовления сопряжено с внесением неизбежных дефектов (например, шероховатость поверхностей и недостаточная точность современных литографических процессов даже на уровне нескольких нанометров), которые ухудшают добротность микрорезонаторов и вносят неконтролируемые ошибки, приводящие к ограничению на количество связанных элементов [13, 14].

Приборы на основе микросфер имеют чрезвычайно высокую добротность, но создание работоспособных устройств на их основе требует индивидуального отбора, механического позиционирования и закрепления таких микросфер внутри устройства, а также создания необходимых элементов подвода и вывода излучения.

Альтернативным подходом является применение так называемых фотонных кристаллов [15]. В этом случае удается уменьшать потери до приемлемого уровня и поддерживать необходимую точность, но ценой значительного увеличения размеров устройства до миллиметровых масштабов [16, 17].

Изобретение принципа поверхностной аксиальной нанофотоники [1, 18] позволило использовать современные технологии оптических волокон для одновременного достижения высочайшей точности изготовления (в пределах нескольких ангстрем), очень высокой добротности, возможности точной настройки и коррекции параметров МШГ и для создания сложных связанных резонаторных структур в пределах микроскопических размеров (порядка диаметра стандартного оптического волокна ~ 0.01-0.1 мм).

На сегодняшний день известен, по существу, единственный предложенный способ изготовления устройств поверхностной аксиальной нанофотоники, раскрытый в патенте США №9,127,933 [19]. Он основан на том, что многие сорта стекол, которые используются для производства оптических волокон, обладают определенной чувствительностью к нагреву (отжигу, например кварц) или экспозиции ультрафиолетовым излучением (германосиликатные стекла). Эти воздействия приводят к тому, что локальный показатель преломления материала волокна в точке нагрева изменяется, приводя к соответствующему изменению т.н. эффективного радиуса, пропорционального оптическому пути излучения по периметру волокна. Варьируя тепловую или ультрафиолетовую экспозицию по длине оптического волокна, можно образовать различные отдельные резонаторы МШГ или связанные структуры таких резонаторов. Ключевыми элементами этого способа являются следующие:

1. Для модификации эффективного радиуса волокна применяется многократное фиксированное воздействие либо сфокусированным излучением углекислотного лазера, либо ультрафиолетовым излучением через маску на определенный участок волокна. Воздействие сфокусированным излучением углекислотного лазера производится при повышенной температуре волокна, близкой к температуре трансформации (около 1140°С для плавленого кварца), что приводит к увеличению эффективного радиуса волокна В этом случае модификация показателя преломления происходит за счет быстрого снятия внутреннего напряжения и соответствующего геометрического расширения материала. Поскольку скорость и величина модификации в этом режиме экспоненциально зависят от температуры, единственная возможность внесения контролируемых изменений состоит в том, чтобы необходимая для каждого данного изменения экспозиция набиралась из нескольких более коротких, которые не позволяют материалу волокна, окружающего модифицируемую область нагреваться достаточно сильно, чтобы в нем тоже происходила модификация показателя преломления. При этом, после каждой такой частичной экспозиции необходимо дать материалу остыть до начальной (комнатной) температуры, что по необходимости делает процесс создания заданного профиля эффективного радиуса пошаговым и ограничивает его скорость.

2. Создание заданного профиля эффективного радиуса волокна по его оси достигается ступенчатым перемещением волокна и дискретной экспозицией последовательных участков волокна, как указано в п. 1.

3. Для калибровки и коррекции модификации используется трехступенчатый процесс, где сначала вся длина заготовки экспонируется ступенчатым образом небольшой заданной дозой излучения, которая заведомо недостаточна для достижения необходимого изменения эффективного радиуса. Затем, производится замер произведенной модификации эффективного радиуса на отдельной части установки, путем перемещения заготовки под измерительный зонд и ее сканирования по длине, и вычисляется профиль вторичной экспозиции, необходимой для достижения заданного профиля эффективного радиуса. После этого, заготовка перемещается обратно в экспонирующую часть установки для вторичной экспозиции. По ее завершении производится второй замер результата, и при необходимости также третья экспозиция.

4. В процессе замера профиля эффективного радиуса волокна, оптический зонд поочередно опускается до достижения оптического контакта с измеряемым волокном, затем поднимается снова, и волокно перемещается на один шаг для осуществления следующего измерения.

Способ, раскрытый в патенте США №9,127,933, характеризуется большой гибкостью и позволяет изготавливать широкий спектр оптических фотонных устройств, начиная от элементарных кольцевых микрорезонаторов МШГ и заканчивая сложными фильтрами, оптическими переключателями и другими активными компонентами.

Вышеизложенные пункты свидетельствуют о том, что он требует многократного повторения измерительных и экспозиционных этапов, для осуществления которых необходимо перемещение заготовки из одного участка установки в другой (см. рис. 1). Кроме того, как процесс модификации, так и процесс измерения являются пошаговыми, что подразумевает процедуру микроперемещения и остановки заготовки для осуществления измерения [10] (патент США №8,860,935) или экспозиции в каждой следующей точке. Как указано в [18], характерная продольная длина волны в аксиальном устройстве ~ 50 мкм. Следовательно, точность позиционирования и шаг такого микроперемещения не должны быть хуже ~ 5 мкм. Поскольку продольный размер самой простейшей структуры одиночного кольцевого резонатора составляет ≥100 мкм, полный цикл изготовления такого резонатора содержит как минимум 60 индивидуальных экспозиций и 3 перемещения между измерительной и экспонирующей частью установки. При изготовлении более сложных устройств, общее количество механических перемещений пропорционально увеличивается. Например, в [20] указано, что время, необходимое для полной записи спектра структуры из 30 микрорезонаторов с помощью спек-троанализатора Luna Optical Vector Analyzer OVA 5000, может составлять около 20 секунд. На Рис. 1 приведена схема установки для изготовления устройств поверхностной аксиальной нанофотоники согласно патенту США №9,127,933.

С другой стороны, процессы, приводящие к модификации показателя преломления и, соответственно, эффективного радиуса волокна, являются преимущественно термическими и происходят при довольно сильном нагреве (см. п. 1 выше). Вследствие этого, каждая следующая дискретная экспозиция должна происходить после установления теплового равновесия с окружающей средой (термализации) экспонированного участка волокна для того, чтобы исключить неконтролируемое распространение модификации за счет тепловой диффузии и обеспечить повторяемость начальной температуры при экспозиции. В результате, хотя для одной такой экспозиции может потребоваться относительно малое время (0.1-0.5 секунды) [20], период термализации между экспозициями обычно должен быть порядка 1 секунды в зависимости от вида и диаметра волокна заготовки, а также других условий процесса.

Кроме того, известные до сих пор методы измерения оптического спектра устройств поверхностной аксиальной нанофотоники используют дискретный процесс, в котором оптический зонд перемещается на некотором расстоянии вдоль измеряемого волокна, периодически останавливается и опускается до оптического контакта с поверхностью волокна, чтобы произвести отдельное измерение, как, например, раскрыто в патенте США №8,860,935 [10] (см. Рис. 2).

Вышеуказанные обстоятельства приводят к тому, что изготовление устройств поверхностной аксиальной нанофотоники является длительным многоступенчатым процессом, требующим сложной и дорогостоящей установки. В силу большой перспективности указанных устройств, имеется существенная необходимость в удешевлении, ускорении и упрощении их производства.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения - создание способа эффективного и экономичного изготовления устройств поверхностной аксиальной нанофотоники на основе непрерывного одноступенчатого процесса, сочетающего в себе одновременно измерение исходных параметров волоконной заготовки, ее модификацию согласно заданному профилю эффективного радиуса и контролю произведенной модификации без необходимости как отдельных шагов характеризации, контроля и коррекции, так и перемещения заготовки из одной части установки в другую.

Техническим результатом изобретения является возможность реализации усовершенствованного метода изготовления устройств поверхностной аксиальной нанофотоники, в котором не только число процедур сокращено до одной, таким образом, ускоряя и удешевляя процесс, но и преодолены многие источники погрешностей измерения и воздействия, а также добавлена возможность непрерывного контроля за процессом модификации волоконной заготовки, что по сути дела позволяет отказаться от последующей процедуры контроля качества.

При решении поставленной задачи учитывалось следующее:

Во-первых, во всех доступных на данный момент источниках, как научного характера, так и патентных (см., например, [21] и упомянутый патент США №9,127,933), положительная модификация показателя преломления и, соответственно, эффективного радиуса волокна происходит при достаточно высокой температуре (см. выше). В этом случае модификация показателя преломления происходит за счет быстрого снятия внутреннего напряжения и соответствующего геометрического расширения материала. Поскольку скорость и величина модификации в этом режиме экспоненциально зависят от температуры, единственная возможность внесения контролируемых изменений состоит в том, чтобы необходимая для каждого данного изменения экспозиция набиралась из нескольких более коротких, которые не позволяют материалу волокна, окружающего модифицируемую область нагреваться достаточно сильно, чтобы в нем тоже происходила модификация показателя преломления. При этом, после каждой такой частичной экспозиции необходимо дать материалу остыть до начальной (комнатной) температуры, что по необходимости делает процесс создания заданного профиля эффективного радиуса пошаговым и ограничивает его скорость.

Однако, известно, что модификация показателя преломления стекол также может происходить и при температурах, значительно ниже температуры трансформации и быстром охлаждении. В этом случае, она всегда оказывается отрицательной [22]. Поскольку энергия и температура, необходимая для такого изменения гораздо ниже температуры трансформации (на 100°С и больше) [23], влияние локального воздействия на окружающий материал также значительно снижается. В результате появляется возможность внесения необходимых изменений (хотя, возможно, и в более узком диапазоне) за однократную экспозицию.

Более того, авторами установлена возможность делать это в непрерывном режиме, когда волоконная заготовка движется с определенной скоростью через зону воздействия (например, фокальное пятно лазерного излучения), где его сила модулируется по заданному закону.

Ниже приведен эксперимент, доказывающий возможность осуществления модификации показателя преломления при температуре ниже температуры трансформации в непрерывном режиме.

Во-вторых, как указанно выше, известные методы измерения оптического спектра устройств поверхностной аксиальной нанофотоники используют дискретный процесс, в котором оптический зонд перемещается на некотором расстоянии вдоль измеряемого волокна, периодически останавливается и опускается до оптического контакта с поверхностью волокна, чтобы произвести отдельное измерение.

Авторами было экспериментально подтверждено, что непрерывное измерение при перемещении оптического зонда вдоль измеряемого волокна возможно без потери оптического контакта.

Указанные выше два обстоятельства позволяют реализовать цель данного изобретения, а именно, практически осуществить непрерывный и одноступенчатый процесс модификации эффективного радиуса оптического волокна с одновременным непрерывным контролем.

Поставленная задача решена тем, что в известном способе изготовления устройств поверхностной аксиальной нанофотоники путем создания заданного профиля эффективного радиуса волокна по его оси последовательным воздействием сфокусированным излучением на определенные участки волокна при его перемещении, согласно изобретению, воздействие осуществляют при перемещении волокна в непрерывном режиме при температуре волокна ниже температур трансформации не менее чем на 100 градусов с одновременным непрерывным контролем произведенной модификации эффективного радиуса.

При этом уровень мощности точечного воздействия задают таким, чтобы требуемая модификация достигалась за время большее чем то, которое требуется для замера текущего эффективного радиуса заготовки, используют лазерный источник излучения, также может быть использовано тепловое излучение тонкой металлической проволоки, по которой пропускают электрический ток, достаточный для локального повышения температуры в точке воздействия.

Контроль произведенной модификации эффективного радиуса осуществляют с использованием оптического зонда, помещенного со стороны, противоположной излучению и имеющего непосредственный оптический контакт с волокном. Может быть использован оптический зонд в виде перетяжки вытянутого волокна, изогнутого в месте приведения его в оптический контакт с волокном, чтобы минимизировать воздействие лазерного излучения на него, в то же время достаточный, чтобы обеспечить оптический контакт в точке воздействия.

Контроль производимой модификации эффективного радиуса волокна осуществляют подачей тестового излучения на один торец оптического зонда и измерением прошедшего излучения спектрометром, подключенным к другому торцу зонда

Контроль производимой модификации эффективного радиуса волокна может быть произведен при помощи схемы оптического гетеродина с локальным осциллятором в виде стабильного одночастотного лазера, излучение которого смешивается на фотодетекторе с излучением, полученным с оптического зонда, и регистрируется при помощи быстрого аналого-цифрового преобразователя, а затем подвергается обработке цифровым алгоритмом, таким, как быстрое преобразование Фурье или разновидности преобразования Вигнера-Вилля, для получения полного спектра излучения, снятого оптическим зондом.

Для демонстрации метода нами был реализован следующий эксперимент.

В качестве источника излучения использовался лазер на углекислом газе, диаметр пучка на выходе которого составлял 10.5 мм. Излучение лазера с помощью системы зеркал направлялось на образец через фокусирующую цилиндрическую плоско-вогнутую линзу с фокусным расстоянием 25 мм. Фокус линзы совмещался с волокном при помощи юстировочного микропозиционера и установочных винтов на оправке линзы. Диаметр фокусного пятна, таким образом, составлял порядка 50 мкм, а глубина фокуса - порядка 150 мкм.

В качестве образца использовался отрезок стандартного кварцевого оптического волокна Corning SMF-28, с которого была снята вторичная пластиковая оболочка с помощью термостриппера. Диаметр волокна составлял 62.5 мкм.

Для демонстрации эффекта отрицательной вариации эффективного радиуса, экспозиция изменялась путем включения излучения лазера с мощностью 0.55 Вт на малые интервалы времени - 0.1 сек, 0.2 сек, 0.3 сек, 0.5 сек, 0.8 сек, 1.2 сек. Во время модификации образец оставался неподвижным относительно фокусированного пучка, но после каждого этапа модификации волоконный образец перемещался вдоль своей оси на 3 мм.

После модификации радиус образца в разных точках исследовался с помощью оптического зонда. Внесенная вариация радиуса образца в данной точке вычислялась исходя из изменения длины волны резонанса мод шепчущей галереи до и после модификации [24]. Результирующая модификация эффективного радиуса волокна составила величины от -1 до -3 нм (рис. 3).

На Рис 3. Представлены результаты эксперимента по контролируемой модификации эффективного радиуса волокна при температуре значительно ниже температуры трансформации: полученный профиль резонансной длины волны до модификации (а), и после модификации с отрицательными изменениями в 5 точках с шагом примерно 3 мм (б), а также график относительного изменения эффективного радиуса (в).

Модификация происходила при мощности лазера с мощностью 0.55 Вт и экспозиции 0.1 сек, 0.2 сек, 0.3 сек, 0.5 сек, 0.8 сек, 1.2 сек (справа налево вдоль образца).

Для оценки достигаемых в эксперименте температур была построена численная модель, описанная ранее в [25]. При этом в модель был введен учет зависимости удельной теплоемкости и теплопроводности кварцевого стекла от температуры. Одномерная модель описывает распространение тепла, получаемого от сфокусированного лазерного пучка, вдоль волокна. Модель была верифицирована с помощью эксперимента с нагревом термодатчика до температур ~50°С. Проведенное моделирование позволило оценить температуру, которая достигала 500 градусов при нагреве в течение 1.5 сек.

Возможно производить модификацию в непрерывном режиме, когда волоконная заготовка движется с определенной скоростью через зону воздействия (например, фокальное пятно лазерного излучения), где его сила модулируется по заданному закону. Для демонстрации возможности внесения заданных вариаций был проведен эксперимент, в котором волоконный образец двигался с равномерной скоростью 0,5 мм/с в течение 2 секунд. Это позволило внести вариацию радиуса с формой, близкой к равномерной (рис. 4). Эксперимент был повторен дважды для мощностей лазера 1.8 Вт и 3.2 Вт.

На рис. 4 приведены результаты эксперимента по непрерывной контролируемой модификации эффективного радиуса волокна при температуре значительно ниже температуры трансформации: полученный профиль резонансной длины волны с отрицательными изменениями с формой, близкой к прямоугольной.

В эксперименте авторами было подтверждено, что непрерывное измерение при перемещении оптического зонда вдоль измеряемого волокна возможно без потери оптического контакта. Более того, было также выяснено, что при достаточно низких мощностях лазерного излучения (но достаточных для внесения требуемой модификации), оптический зонд, находящийся в оптическом контакте с модифицируемым участком волокна с противоположной стороны от фокусируемого излучения, не подвергается разрушительному или деградирующему его воздействию, вследствие чего становится возможной одновременная модификация микроскопического участка заготовки с одновременным контролем ее при помощи оптического зонда, помещенного с другой стороны

Описание изобретения поясняется Рис. 5. На рисунке:

1. отрезок оптического волокна,

2. держатель образца.

3. подвижная платформа,

4. фокусирующая линза

5. внешний лазер.

6. оптический зонд,

7. источник тестового излучения,

8. оптический спектрометр

Заготовку в виде отрезка оптического волокна 1 устанавливают в специальном держателе 2 на механическую подвижную платформу 3, обеспечивающую контролируемую постоянную скорость движения вдоль оси заготовки. С одной стороны от заготовки перпендикулярно ее оси помещают линзу 4 таким образом, чтобы излучение от внешнего лазера 5 (например, лазера на углекислом газе) фокусировалось на поверхность заготовки. Альтернативно, вместо лазерного источника излучения может использоваться тонкая металлическая проволока, по которой пропускают электрический ток с тем, чтобы она, нагреваясь, подобным же образом приводила к локальному повышению температуры в точке воздействия на заготовку. С другой стороны от заготовки в том же месте или с небольшим отступом помещают оптический зонд 6, например, в виде перетяжки вытянутого волокна, который может быть изогнут для удобства приведения его в оптический контакт с заготовкой.

Измерительная часть установки может состоять из источника тестового излучения 7, подводимого с одного торца оптического зонда, и оптического спектрометр 8, соединенного волоконным кабелем с другим торцом зонда. Оптический спектрометр может представлять собой обычный оптический анализатор спектра, хорошо известный в данной области. Однако, даже самые совершенные приборы этого типа могут не обладать достаточным быстродействием. Например, оптический векторный спектроанализатор Luna OVA 5000 может потребовать около 0.5 с на измерение спектра в одной точке. Поэтому, для ускорения процесса, измерительная часть может включать схему оптического гетеродина с отдельным источником стабильного излучения, которое смешивается с прошедшим через зонд и подается на быстрый фотодетектор. Регистрируемый сигнал биений содержит полную информацию о спектральном составе входного излучения (см. например, [26]), и его восстановление может быть осуществлено с достаточной скоростью. В предварительных экспериментах была достигнута скорость не менее 10 измерений в секунду.

Процесс изготовления осуществляется следующим образом: Управляющий модуль установки получает расчетный профиль эффективного радиуса устройства и устанавливает заготовку в начальное положение этого профиля. Затем запускается процесс измерения с помощью конфигурации, описанной выше, и управляющий модуль сравнивает полученное значение радиуса с расчетным. На основании предварительно собранных данных об используемом типе волокна, управляющий модуль задает уровень мощности воздействия, т.е. интенсивности лазерного излучения или тока проволочного нагревателя так, чтобы требуемая модификация достигалась за время большее, чем то, что требуется для замера текущего эффективного радиуса заготовки. Одновременно начинается движение заготовки вдоль своей оси, и по мере ее перемещения между системой локального нагрева и системой измерения спектра, уровень мощности лазерного излучения или проволочного нагревателя модулируется так, чтобы спектральный отклик, усредненный по участку заготовки за время измерения, соответствовал расчетному.

Ссылки

1. D.J. DiGiovanni, М. Sumetsky, Fiber-based photonic microdevices with sub-wavelength scale variations in fiber radius, патент США №8,755,653 (выдан 17 июня 2014 г.).

2. А.V. Dmitriev, М. Sumetsky, Tunable photonic elements at the surface of an optical fiber with piezoelectric core, Optics Letters 41(10) 2165-2168; doi: 10.1364/OL.41.002165.

3. M. Sumetsky, Methods and devices incorporating surface nanoscale axial photonics, международная патентная заявка №WO 2016/066998 (подана 22 октября 2015 г.).

4. М. Sumetsky, Slow light optofluidics: a proposal, Optics Letters 39(19) 5578-5581 (2014); doi: 10.1364/OL.39.005578.

5. V. Dvoyrin, M. Sumetsky. Bottle microresonator broadband and low-repetition-rate frequency comb generator, Optics Letters 41(23) 5547-5550; doi: 10.1364/OL.41.005547.

6. M. Sumetsky, Delay of light in an optical bottle resonator with nanoscale radius variation: dispersionless, broadband, and low loss, Physical Review Letters 111, 163901 (2013); doi: 10.1103/PhysRevLett. 111.163901.

7. M. Sumetsky, Optical delay line formed as surface nanoscale axial photonic device, заявка на патент США №2015/0277049 (подана 1 мая 2014 г.).

8. G. Nemova, R. Kashyap, Silica bottle resonators for refractive index and temperature measurements, Sensors 16(1), 87; doi: 10.3390/sl6010087.

9. X. Fan, R.W. Wilson, Dielectric microcavity sensors, патент США №7,352,933 (выдан 1 апреля 2008 г. ).

10. М. Sumetsky, High Q-factor conical optical microresonator and utilization in the location characterization of optical fibres, патент США №8,860,935 (выдан 14 октября 2014 г.).

11. Zhang, M., Buscaino, В., Wang, С., Shams-Ansari, A., Reimer, C., Zhu, R., Kahn, J. M. and Loncar, M., "Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microring resonator," Nature 568(7752), 373-377 (2019). doi: 10.1038/s41586-019-1008-7

12. Lin, G., Coillet, A. and Chembo, Y.K., "Nonlinear photonics with high-Q whispering-gallery-mode resonators," Adv. Opt. Photonics 9(4), 828 (2017). doi:10.1364/AOP.9.000828

13. F.N. Xia, L. Sekaric, and Y. Vlasov, Ultracompact optical buffers on a silicon chip, Nature Photonics 1, 65-71 (2007); doi: 10.1038/nphoton.2006.42.

14. W. Bogaerts, P. DeHeyn, T. Van Vaerenbergh, K. DeVos, S.K. Selvaraja, T. Claes, P. Dumon, P. Bienstman, D. Van Thourhout, and R. Baets, Silicon microring resonators, Laser Photonics Reviews 6(1), 47-73 (2012); doi: 10.1002/1por.201100017.

15. J.D. Joannopoulos, S.G. Johnson, J.N. Winn, and R.D. Meade, Photonic Crystals: Molding the Flow of Light (Princeton University Press, 2008); ISBN: 978-0-691-12456-8.

16. C.R. Doerr and K. Okamoto, Advances in silica planar lightwave circuits, Journal of Lightwave Technology 24(12), 4763-4789 (2006); doi: 10.1109/JLT.2006.885255.

17. A. Melloni, A. Canciamilla, C. Ferrari, F. Morichetti, L. O'Faolain, T.F. Krauss, R. De La Rue, A. Samarelli, and M. Sorel, Tunable delay lines in silicon photonics: coupled resonators and photonic crystals, a comparison, IEEE Photonics Journal 2(2), 181-194 (2010); doi:

10.1109/JPHOT.2010.2044989.

18. M. Sumetsky and J. M. Fini, Surface nanoscale axial photonics, Opt. Express 19(27), 26470-26485 (2011); doi: 10.1364/OE. 19.026470.

19. M. Sumetsky, Method offabricating surface nanoscale axial photonic device, патент США №9,127,933 (выдан 8 сентября 2015 г.).

20. М. Sumetsky, Y. Dulashko, SNAP: Fabrication of long coupled microresonator chains with sub-angstrom precision, Opt. Express 20(25), 27896 (2012); doi: 10.1364/OE.20.027896.

21. M. Sumetsky, D.J. DiGiovanni, Y. Dulashko, J.M. Fini, X. Liu, E.M. Monberg, and T.F. Taunay, Surface nanoscale axial photonics: robust fabrication of high-quality-factor microresonators, Optics Letters, 36(24), 4824-4826 (2011); doi: 10.1364/OL.36.004824.

22. H. Bach, and N. Neuroth, The Properties of Optic al Glass, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1998, p.103; doi: 10.1007/978-3-642-57769-7.

23. Hoffmann, H.J., Jochs, W.W. and Neuroth, N.M., "Relaxation Phenomena Of The Refractive Index Caused By Thermal Treatment Of Optical Glasses Below Tg" Prop.Charact. Opt. Glas. 0970(January 1989), 2 (1989). doi: 10.1117/12.948171

24. Sumetsky, M. and Dulashko, Y., "Radius variation of optical fibers with angstrom accuracy," Opt. Lett. 35(23), 4006 (2010)]. doi: 10.1364/OL.35.004006

25. Lai, M.H., Lim, K.S., Gunawardena, D.S., Lee, Y.S. and Ahmad, H., "CO2 Laser Applications in Optical Fiber Components Fabrication and Treatment: A Review," IEEE Sens. J. 17(10), 2961-2974 (2017) doi: 10.1109/JSEN.2017.2682186

26. S. Sugavanam, S. Fabbri, S. Tai Le, I. Lobach, S. Kablukov, S. Khorev, & D. Churkin, "Realtime high-resolution heterodyne-based measurements of spectral dynamics in fibre lasers," Scientific Reports 6:23152 (2016), doi: 10.1038/srep23152

Изобретение относится к области нанооптических технологий. Способ изготовления устройства поверхностной аксиальной нанофотоники (SNAP) реализуется путем создания заданного профиля эффективного радиуса волокна по его оси последовательным воздействием сфокусированным излучением на определенные участки волокна при его перемещении. При этом воздействие осуществляют при перемещении волокна в непрерывном режиме при температуре волокна ниже температуры трансформации не менее чем на 100 градусов с одновременным непрерывным контролем произведенной модификации эффективного радиуса. Технический результат заключается в обеспечении возможности уменьшения количества производственных и контрольных операций при изготовлении устройства. 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ изготовления устройства поверхностной аксиальной нанофотоники путем создания заданного профиля эффективного радиуса волокна по его оси последовательным воздействием сфокусированным излучением на определенные участки волокна при его перемещении, отличающийся тем, что воздействие осуществляют при перемещении волокна в непрерывном режиме при температуре волокна ниже температуры трансформации не менее чем на 100 градусов с одновременным непрерывным контролем произведенной модификации эффективного радиуса.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что уровень мощности точечного воздействия задают таким, чтобы требуемая модификация достигалась за время большее, чем то, которое требуется для замера текущего эффективного радиуса заготовки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют лазерный источник излучения.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют тепловое излучение тонкой металлической проволоки, по которой пропускают электрический ток, достаточный для локального повышения температуры в точке воздействия.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль произведенной модификации эффективного радиуса осуществляют с использованием оптического зонда, помещенного со стороны, противоположной падающему излучению, и имеющего непосредственный и непрерывный оптический контакт с волокном.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют оптический зонд в виде перетяжки вытянутого волокна, изогнутого в месте приведения его в оптический контакт с волокном.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что контроль производимой модификации эффективного радиуса волокна осуществляют подачей тестового излучения на один торец оптического зонда и измерением прошедшего излучения спектрометром, подключенным к другому торцу зонда.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что контроль производимой модификации эффективного радиуса волокна осуществляют при помощи схемы оптического гетеродина с локальным осциллятором в виде стабильного одночастотного лазера, излучение которого смешивается на фотодетекторе с излучением, полученным с оптического зонда, и регистрируется при помощи быстрого аналого-цифрового преобразователя, а затем подвергается обработке цифровым алгоритмом, таким как быстрое преобразование Фурье или разновидности преобразования Вигнера-Вилля, для получения полного спектра излучения, снятого оптическим зондом.