СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ЗАПИСИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ВОЛНОВОДОВ Российский патент 2022 года по МПК G02B6/10 

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.

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 B₂O₃ и GeO₂. 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.

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-Al₂O₃-SiO₂ системы, допированных ионами Cr⁴⁺, проводилось при помощи ионного обмена [US 7315683 В2]. Образцы магниевоалюмосиликатных ситаллов погружали в 1 моль % раствор Ag/KNO₃ 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.

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 CaF₂. 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.

В качестве прозрачной стеклокристаллической матрицы используют ЛАС ситаллы, полученные путем двухстадийной термообработки стекла Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ системы в электрической печи, содержащие нанокристаллы β-эвкриптитоподобных твердых растворов, со значениями ТКЛР α=-5,0÷+1,8⋅10^-7⋅K^-1 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.

Пример 1. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР -1,5⋅10^-7⋅K^-1. 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.

Пример 3. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР -5,0⋅10^-7⋅K^-1. 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.

Пример 4. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР +1,8⋅10^-7⋅K^-1. 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.

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. Заявленный способ записи интегральных волноводов, основанный на изменении показателя преломления прозрачного диэлектрика, включает 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÷4000 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. Технический результат – возможность лазерной записи цилиндрической оболочки волновода с пониженным показателем преломления в объеме прозрачной стеклокристаллической матрицы. Полученный результат может быть использован для создания волноводных устройств ИК оптики, в том числе термостабильных интегральных оптических схем.

Способ лазерной записи интегральных волноводов, основанный на изменении показателя преломления прозрачного диэлектрика, включающий фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрика, движение сфокусированного пучка по заданной траектории и последовательную запись нескольких параллельных треков, ограничивающих область из немодифицированного материала, отличающийся тем, что 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.