DE102017213753A1

DE102017213753A1 - Verfahren zum Herstellen einer photonischen Struktur

Info

Publication number: DE102017213753A1
Application number: DE102017213753.3A
Authority: DE
Inventors: Stephan Geiger; Florian Sotier
Original assignee: Innolas Photonics GmbH
Current assignee: Innolas Photonics GmbH
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-02-14

Abstract

Beschrieben wir ein Verfahren zum Herstellen einer photonischen Struktur in einem Medium, das für Licht mit Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 1.5 µm bis 2.1 µm transparent ist, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Erzeugen ultrakurzer Laserimpulse mit einem Wellenlängenanteil im Wellenlängenbereich von 1.5 µm bis 2.1 µm und mit zeitlichen Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich,
- Applizieren und Fokussieren der ultrakurzen Laserimpulse auf das oder in das Material derart, dass das Material im Fokusbereich der Laserimpulse eine Änderung wenigstens eines Materialparameters erfährt, die nach dem Applizieren erhalten bleibt und die Grundlage für die photonische Struktur bildet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer photonischen Struktur in einem Medium.
Stand der Technik
Photonische Strukturen sind periodische Strukturen innerhalb eines für elektromagnetische Strahlung ansonsten weitgehend transparenten Festkörpers, mit denen die elektromagnetische Strahlung in Wechselwirkung tritt, wodurch es zu einer Strahlbeeinflussung in Form einer Strahlablenkung kommt. Da die Wirkung derartiger Strukturen auf das Ausbreitungsverhalten von elektromagnetischer Strahlung vergleichbar ist mit der Beeinflussung des Ausbreitungsverhaltens von Elektronen in Halbleitern, deren elektronische Bandlücken die freie Elektronenbeweglichkeit beeinträchtigen oder vollständig unterbinden, können photonische Strukturen sogenannte photonische Bandlücken bilden, die sich in Form eines hohen Brechungsindexkontrastes auszeichnen, der dafür sorgt, dass sich elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen beziehungsweise Frequenzbereiche innerhalb einer photonischen Bandlücke nicht ausbreiten kann.
Die geometrischen Abmessungen der photonischen Strukturen sowie deren periodisch, wiederkehrende Abfolge bewegen sich typischerweise in der Größenordnung wenigstens eines Viertels der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die es durch die photonischen Strukturen zu beeinflussen gilt.
Photonische Strukturen werden zumeist mittels der aus der Mikroelektronik und Halbleitertechnologie bekannten Verfahren hergestellt.
Eine auf photonische Strukturen basierende Strahlführung bspw. eines Laserstrahls mit Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich sowie Wellenlängen bis zu einem µm ist mit einer Quarzglasfaser realisierbar, deren Faserkern radial sowie in Umfangsrichtung von einer Vielzahl parallel zum Faserkern verlaufenden mit Luft oder Gas gefüllten Hohlkanälen umgeben ist, die in ihrer Gesamtheit einen niedrigeren Brechungsindex im Vergleich zum höheren effektiven Brechungsindex längs des Faserkerns ergeben.
Ferner sind Hohlkernfasern bekannt, die einen hohlzylinderförmig ausgebildeten, von einem Zylindermantel umgebenden Faserkern aufweisen, um dessen Zylindermantel radial und in Umfangsrichtung gleich verteilt eine Vielzahl, vorzugsweise im Querschnitt honigwabenartig ausgebildete Mikrokanäle angeordnet sind, die in ihrer Gesamtheit im Vergleich zum innenliegenden hohlen Faserkern einen geringeren Brechungsindex besitzen.
Derartige als optische Wellenleiter dienende, mikrostrukturierte Fasern sind aus Quarz oder Borosilikatglas gefertigt und im Wege eines thermisch unterstützten Ziehprozesses, ausgehend von einem Arrangement aus einer Vielzahl makroskopisch dimensionierter, parallel nebeneinander angeordneter Glashohlfasern hergestellt. Siehe hierzu beispielsweise die D. G. Ouzounov et al., „Generation of megawatt optical solitons in hollow-core photonic band-gap fibers“, Science 301, 1702 (2003).
In einem Artikel von Huan Huang, Lih-Mei Yang and Jian Liu, „Femtosecond fiber laser direct writing of optical waveguide in glasses" Huang, H., Yang, L., & Liu, J. (2011) In Proc. SPIE, Vol. 8164, p. 81640B, wird die Herstellung eines optischen Wellenleiters auf Basis einer linearen photonischen Struktur innerhalb von Quarz- oder Borosilikat-Glas mit Hilfe eines gepulsten Femtosekundenlasers erläutert. Der Femtosekundenlaser vermag Laserpulse mit einer Repetitionsfrequenz zwischen 1Hz und 1MHz, mit Pulsdauern von 750 Femtosekunden bei einer Wellenlänge von 1030 nm zu erzeugen. Die Laserpulse werden in einem vordefinierten Abstand innerhalb des Glassubstrates fokussiert und längs einer vorgegebenen, linearen Trajektorie appliziert. Die Pulsenergie der innerhalb des Glassubstrates applizierten Laserpulse vermag das Glassubstrat bezüglich des optischen Brechungsindex im Fokusbereich zu modifizieren. Nachfolgende Untersuchungen zur Überprüfung der Strahlführungsqualität der sich innerhalb des Glassubstrates ausgebildeten linearen photonischen Struktur mittels fokussierter Einkopplung von grünem sowie rotem Laserlicht bestätigten die Wellenleiterfunktion.
Alle bekannten zum Zwecke der optischen Strahlführung konzipierten Wellenleiter, die die Nutzung photonischer Strukturen vorsehen, beschränken sich auf Substratmaterialien, die transparent sind für elektromagnetische Strahlung in sichtbarem, d.h. Wellenlängen zwischen 370 und 780 nm, und nahen infraroten Wellenlängenbereich, d.h. Wellenlängen von 780 nm bis 1400 nm.
Darstellung der Erfindung
Es besteht die Aufgabe ein Verfahren zum Herstellen einer photonischen Struktur in einem Material anzugeben, das für elektromagnetische Strahlung, d.h. Licht mit Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 1,5 µm bis 2,1 µm transparent ist, und dies mit möglichst zuverlässigen, kostengünstigen und für einen industriellen Einsatz geeigneten Mitteln.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise ausbildende Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Die dem lösungsgemäßen Verfahren zugrundeliegende Idee geht von der Vorstellung aus, Materialien, wie beispielsweise Silicium, die für elektromagnetische Strahlung in sichtbarem und nahem infraroten Spektralbereich über weitgehend intransparente optische Eigenschaften verfügen, derart modifizieren zu können, so dass sich innerhalb oder auf dem Material optisch wellenleitende Strukturen ausbilden, die in der Lage sind Licht im Wellenlängenbereich zwischen 1,5 µm und 2,1 µm auf der Basis photonischer Strukturen zu führen.
Zur Herstellung derartiger photonischer Strukturen in einem Medium, das für Licht mit Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 1,5 µm bis 2,1 µm transparent ist, werden in einem ersten Schritt ultrakurze Laserimpulse mit einem Wellenlängenanteil im Wellenlängenbereich von 1,5 µm bis 2,1 µm und mit zeitlichen Impulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich erzeugt, die nachfolgend auf das oder in das Material derart fokussiert werden, dass das Material im Fokusbereich der Laserimpulse eine Änderung wenigstens eines Materialparameters erfährt, wobei die Änderung des wenigstens einem Materialparameters nach dem Applizieren der ultrakurzen Laserimpulse innerhalb des Materials dauerhaft erhalten bleibt und die Grundlage für die photonische Struktur bildet.
Es hat sich gezeigt, dass bei Verwendung einer Laseranordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse mit einer Wellenlänge, die im Bereich zwischen 1,5 und 2,1 µm, vorzugsweise im Bereich zwischen 1,9 und 2,1 µm liegt, und Pulsenergien im Mikrojoule-Bereich aufweisen sowie Laserimpulsdauern im Piko-, vorzugsweise im Femtosekundenbereich besitzen, eine lösungsgemäße Prozessierung von Materialien, die eben in diesen vorstehend genannten Wellenlängenbereich transparent sind, möglich wird. Hierzu wird der gepulste Laserstrahl auf oder innerhalb des jeweils zu prozessierenden Materials fokussiert und längs einer vorgegebenen Trajektorie oder eines entsprechend vorgegebenen Belichtungsmusters abgelenkt. Das Applizieren der ultrakurzen Laserimpulse auf oder in das Material erfolgt vorzugsweise derart, so dass in einer zeitlichen Abfolge der erzeugten ultrakurzen Laserimpulse wenigstens jeweils zeitlich aufeinanderfolgende ultrakurze Laserimpulse auf oder in dem Material teilweise überlappen.
Durch die Applikation der auf oder innerhalb des Materials fokussierten, ultrakurzen Laserimpulse wird innerhalb des Material wenigstens eine Materialeigenschaft innerhalb des Fokusbereiches geändert, so beispielsweise der dem Material innewohnende optische Brechungsindex, die Materialdichte, die Materialgefügestruktur, beispielsweise Kristallstruktur, die Gitterkonstante, Korngrenzen, freie Ladungsträger, chemische oder physikalische Ätzbarkeit. Die vorstehend erläuterte Änderung wenigstens einer Materialeigenschaft begrenzt sich auf jenen Raumbereich, innerhalb dem die ultrakurzen Laserimpulse fokussiert werden, d.h. die unmittelbar an dem Fokusbereich bzw. den Fokusbereichen angrenzenden Materialbereichen bleiben bezüglich ihrer Materialeigenschaft unbeeinflusst. Auf diese Weise können auf dem Material oder innerhalb des Materials lokal begrenzte Bereiche mit geänderten optischen Materialeigenschaften geschaffen werden, die der optischen Wellenleitung dienen. Die Dimensionen und die räumliche Formgebung der durch direktes Applizieren mit ultrakurzen Laserimpulsen erzeugbaren Materialbereiche mit geänderten Materialeigenschaften lassen sich durch eine geeignete dynamische Strahlführung des gepulsten Laserstrahls vorgebbar beeinflussen.
In einer bevorzugten Weiterbildung des lösungsgemäßen Verfahrens bietet es sich an, den wenigstens einen Materialbereich, der eine Änderung des wenigstens einen Materialparameters im Wege des Applizierens mit den ultrakurzen Laserimpulsen erfahren hat, einer chemischen und/oder physikalischen Nachbehandlung zu unterziehen, durch die der wenigstens eine Materialbereich einer Materialdegeneration oder Materialextraktion erfährt. So können die im Fokusbereich befindlichen Materialbereiche nach entsprechender Laserimpulsapplikation zum Zwecke einer vollständigen Materialextraktion einem chemischen oder physikalischen Ätzprozess, einer Ultraschallwellenbeaufschlagung, einer thermischen Nachbehandlung und/oder einer Spülung mit Gas und/oder Flüssigkeit unterzogen werden. Die vorstehenden Maßnahmen zur chemischen und/oder physikalischen Nachbehandlung können jedoch anstelle einer vollständigen Materialextraktion auch zum Zwecke einer gezielten weiteren Materialdegeneration angewendet werden, um beispielsweise die im Wege der Laserimpulsapplikation bewirkte Änderung wenigstens einer Materialeigenschaft in weiterführender Weise zu konditionieren.
Durch eine dynamische Strahlablenkung der ultrakurzen Laserimpulse auf oder in das Material können nahezu beliebig zwei- oder dreidimensionale Materialbereiche mit wenigstens einer geänderten Materialeigenschaft geschaffen werden, die mittel- oder unmittelbar als photonische Struktur in Erscheinung treten.
Zur Ausbildung eines optischen Wellenleiters mit einer möglichst verlustfreien elektromagnetischen Strahlführung auf Basis photonischer Struktur bieten sich unterschiedliche Herstellungsvarianten an.
Eine erste Variante sieht einen mittels Applikation ultrakurzer Laserimpulse auf oder in das Material kontinuierlich zusammenhängenden Materialbereich mit einem gegenüber dem den Materialbereich umgebenden Material geänderten Brechungsindex vor. Hierzu werden die ultrakurzen Laserimpulse zur Ausbildung wenigstens eines kontinuierlich zusammenhängenden Materialbereiches mit geändertem Brechungsindex auf oder innerhalb des Materials derart appliziert, so dass der Materialbereich ein hohlzylindrisches oder prismatisch ausgebildetes, zumindest abschnittsweise geradlinig oder gekrümmt verlaufendes Volumen innerhalb des Materials umfasst. Zur Ausbildung des betreffenden Materialvolumens mit geändertem Brechungsindex bedarf es einer optisch geeigneten Abbildung und dynamischen Strahlablenkung der ultrakurzen Laserimpulse längs einer Trajektorie, derart, sodass sich das Materialvolumen mit geändertem Brechungsindex durch einmaliges Applizieren der ultrakurzen Laserimpulse längs der Trajektorie ausbildet. Hierzu ist die räumliche Energieverteilung der in den Fokus abgebildeten ultrakurzen Laserimpulse durch die optische Abbildungseinheit geeignet zu wählen. Alternativ kann das betreffende Materialvolumen mit geändertem Brechungsindex durch Mehrfachablenkung der ultrakurzen Laserimpulse längs der Trajektorie erhalten werden.
Eine zweite Variante zur Ausbildung eines optischen Wellenleiters auf Basis einer photonischen Struktur sieht eine Vielzahl einzelner auf oder innerhalb des Materials eingebrachter Strukturelemente vor, die längs einer und/oder quer zu einer Trajektorie mit einer periodischen Wiederkehr verteilt angeordnet sind und in ihrer Gesamtheit einen gegenüber dem die Strukturelemente umgebenden Material geänderten Brechungsindex aufweisen.
Die Vielzahl der sich längs und/oder quer zu einer Trajektorie verteilt angeordneten Strukturelemente begrenzen einen sich längs der Trajektorie erstreckenden Materialbereich jeweils beidseitig quer zur Trajektorie. Weitere erläuternde Ausführungen hierzu können den nachstehenden Figuren entnommen werden, aus denen ebenso eine bevorzugte Laseranordnung hervorgeht, die ultrakurze Laserimpulse mit Wellenlängen zwischen 1,5 µm und 2,1 µm zur Änderung wenigstens einer Materialeigenschaft zu erzeugen in der Lage ist.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

1a, b Querschnittsdarstellungen durch zwei optische Wellenleiter mit unterschiedlich eingeprägten photonischen Strukturen,
2 plattenförmig ausgebildeter optischer Wellenleiter mit den Wellenleiter lateral begrenzenden photonischen Strukturen,
3a,b optischer Wellenleiter mit vergrabener bzw. eingebetteter Wellenleiterstruktur,
4 Laseranordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse mit Wellenlängen zwischen 1,5 µm und 2,1 µm

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
1a zeigt einen Querschnitt durch einen Wellenleiter W, der aus einem für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1,5 und 2,1 µm transparenten Material gefertigt ist. Beispielsweise sind die nachstehenden Materialien zur Ausbildung des Wellenleiters W geeignet: Silizium, GaAs, Ge, Silizium Oxynitrid (SiON), Saphir (Al₂O₃), Yttriumoxid (Y₂O₃), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), oxidische Gläser, Borosilikatglas, Kalknatronglas, Quarzglas, sowie folgende Kunststoffe: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Acrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polytetrafluorethylen (PTFE), Styrol-Acrylnitril (SAN).
Innerhalb des Wellenleiters W ist eine Vielzahl von Hohlkanälen H, die jeweils einen weitgehend einheitlichen Kanalquerschnitt aufweisen, derart angeordnet, so dass sie einen mittig zum Wellenleiter W angebrachten Wellenleiterbereich WB in Umfangsrichtung vollständig umschließen. Zur Ausbildung der Hohlkanäle H ist der Wellenleiter W lokal mit ultrakurzen Laserimpulsen appliziert worden, d.h. die Laserimpulse sind in den Bereichen der Hohlkanäle H fokussiert worden, und haben das Material bezüglich wenigstens eines Materialparameters lokal verändert. Das Material innerhalb des Materialbereiches MB2, der die Vielzahl der Hohlkanäle H radial umschließt, sowie auch der Materialbereich des MB1 des mittig angeordneten Wellenleiterbereiches WB verbleiben bezüglich der Materialeigenschaften unverändert.
Zum Zwecke der Ausbildung der Hohlkanäle H, die vorzugsweise mit Luft oder einem Gas befüllt sind, ist der Wellenleiter W nach Applizieren mit ultrakurzen Laserimpulsen nachbehandelt worden, beispielsweise mittels chemischen oder physikalischen Ätzens, Ultraschallwellenbeaufschlagung, thermischer Behandlung oder Spülung mit Gas und/oder Flüssigkeit.
Die Hohlkanäle H stellen in ihrer Gesamtheit eine photonische Bandlücke dar, durch die ein Photonenverlust quer zur Längserstreckung des Wellenleiterbereiches WB unterbunden wird.
1b zeigt einen alternativ gestalteten Aufbau eines Wellenleiters W, der im Unterschied zum Wellenleiter gemäß 1a eine Vielzahl rund ausgebildeter Hohlkanäle H1 mit kleinerem Kreisdurchmesser und H2 mit größerem Kreisdurchmesser vorsieht. Die Hohlkanäle H1 sind gleichmäßig beabstandet längs einer um die Mittelachse A des Wellenleiters W konzentrisch ausgebildeten Kreislinie K1 angeordnet. Radial außerhalb der Kreislinie K1 sind die Hohlkanäle H2 längs einer zur Kreislinie K1 konzentrisch ausgebildeten Kreislinie K2 angeordnet, so dass sie die in Umfangsrichtung der Kreislinie K1 zwischen jeweils benachbarten Hohlkanälen H1 bestehenden Zwischenräume jeweils in radialer Projektion vollständig abdecken.
Auch im Falle der 1b bilden die Hohlkanäle H1 und H2 eine photonische Bandlücke, durch die ein radiales Austreten von längs des mittigen Wellenleiterbereiches WB geführten Photonen unterbunden wird.
2 zeigt ein plattenförmig ausgebildetes Materialsubstrat MS aus einem für Wellenlängen zwischen 1,5 µm und 2,1 µm transparentem Material, wie vorstehend erläutert. Das Materialsubstrat MS ist als Wellenleiter ausgebildet und sieht einen Wellenleiterbereich WB längs einer Trajektorie T vor, d.h. elektromagnetische Strahlung, die beispielsweise seitlich in das Materialsubstrat MS im Bereich Ei eingekoppelt, breitet sich längs der Trajektorie T innerhalb des Wellenleiterbereiches WB aus und tritt bei Au aus dem Materialsubstrat MS aus. Zur Vermeidung einer quer zur Trajektorie T erfolgenden Photonendissipation ist eine Vielzahl einzelner Strukturelemente SE in Form von das Materialsubstrat MS vollständig durchsetzende Löchern beidseitig zur Trajektorie T verteilt vorgesehen. Zur Herstellung der Vielzahl an Strukturelementen SE ist das Materialsubstrat MS lokal mit ultrakurzen Laserimpulsen appliziert worden, wodurch ein lokaler Materialabtrag, der gegebenenfalls durch eine entsprechende Nachbehandlung unterstützt wird, erfolgte.
3a zeigt einen quaderförmig ausgebildeten Wellenleiter W, in dem ein mittig angeordneter Wellenleiterbereich WB ausgebildet ist, dessen Brechungsindex vermittels einer lokalen ultrakurzen Laserimpulsapplikation zum übrigen Materialbereich des Wellenleiters W geändert worden ist. Aufgrund der Brechungsindexänderung werden innerhalb des Wellenleiterbereiches WB geführte Photonen daran gehindert quer zur Längserstreckung des Wellenleiterbereiches WB zu dissipieren. 3b zeigt eine Ausbildung des Wellenleiterbereiches WB innerhalb des Wellenleiters W angrenzend an einer Oberfläche des Wellenleiters W.
In beiden vorstehend genannten Fällen ist der Brechungsindex innerhalb des Wellenleiterbereiches WB größer als in dem den Wellenleiterbereich WB umgebenden Materialbereich. Hierdurch erfolgt die Lichtführung innerhalb des Wellenleiterbereiches WB durch Totalreflexion an den jeweils seitlichen Grenzflächen.
Die geometrische Ausbildung bezüglich des Querschnittes des Wellenleiterbereiches WB sowie auch des gesamten Wellenleiters W können eine beliebige, von der quadratischen Form abweichende Form und Größe aufweisen.
Zur Erzeugung der für die vorstehende Materialbearbeitung erforderlichen ultrakurzen Laserimpulse mit einer Wellenlänge zwischen 1,5 µm und 2,1 µm sowie mit geeigneten Impulsenergien im Mikro-Joule-Bereich dient vorzugsweise eine in 4 illustrierte Laseranordnung.
Zur Erzeugung von Ausgangslaserimpulsen, sog. Seed-Laserpulse SL dient eine optische Einheit 1, die einen Laseroszillator umfasst, bspw. ein Erbium dotierter Faseroszillator, dessen Laserimpulse eine spektrale Bandbreite von wenigstens 100 nm innerhalb eines Wellenlängenspektrums zwischen 1,5 µm und 2,1 µm aufweisen und deren zeitliche Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich liegen. Typischerweise werden die Seed-Laserimpulse SL mit einer Repetitionsrate im zweistelligen MHz-Bereich, typischerweise ca. 30 MHz erzeugt. Typischerweise verfügen die von Seiten der optischen Einheit 1 emittierten Laserimpulse Impulsenergien im Piko-Joule-Bereich. Zur optischen Verstärkung der emittierten Seed-Laserimpulse SL dient eine Faser-basierte optische Verstärkereinheit 6. Die vermittels der Verstärkereinheit 6 vorverstärkten Seed-Laserimpulse SL gelangen nachfolgend über eine freie optische Kopplung in ein optisches Volumen-Bragg-Gitter, VBG 1, innerhalb dem jeder Laserimpuls Wellenlängen- bzw. Frequenzabhängig in die Gitterstruktur einzudringen vermag. Jeder reflektierte und aus dem VBG1 austretende Laserimpuls RL verfügt über eine gestreckte zeitliche Pulsdauer sowie über eine geringere spektrale Breite verglichen zu den in das VBG1 eintretenden Seed-Laserpulsen. Die im VBG 1 reflektierten Laserimpulse RL gelangen zum Zwecke der optischen Separation zu den in Richtung des VBG 1 gegenläufig gerichteten Seed-Laserpulsen SL in einen optischen Zirkulator 7, aus den die reflektierten Laserpulse RL in eine nachfolgende Faser-basierte optische Verstärkeranordnung 2 eintreten. Die Faser-basierte, optische Verstärker-Anordnung 2 verfügt über erste Faser-basierte, optische Verstärker-Einheit 5 innerhalb der sämtliche reflektierte Laserimpulse RL einer weiteren optischen Verstärkung unterliegen. Nachfolgend gelangen die verstärkten Laserimpulse in einen optischen Modulator, vorzugsweise in Form eines akusto-optischen Modulators, in dem eine Art einer Laserimpulsselektion vorgenommen wird, wodurch die von Seiten des Laseroszillators 1 herrührende Repetitionsrate von einigen 10 MHz signifikant reduziert wird, so dass die Laserimpulse nach Austreten aus dem optischen Modulator 3 eine um wenigstens eine Größenordnung geringere Repetitionsrate aufweisen. Die bezüglich ihrer Repetitionsrate reduzierten Laserimpulse gelangen nachfolgend in eine weitere Faser-basierte, optische Verstärker-Einheit 4, die der Hauptverstärkung dient und aus der verstärkte Laserimpulse VL austreten. Durch die Kombination sämtlicher Faser-basierten, optischen Verstärker-Einheiten 6, 5 und 4 ist es möglich die Laserimpulsenergie der unmittelbar aus der optischen Einheit 1 austretenden Seed-Laserimpulse um wenigstens zwei bis drei Größenordnungen zu verstärken. Dies bedeutet, dass die aus der Faser-basierten, optischen Verstärker-Anordnung 2 austretenden, verstärkten Laserimpulse VL typischerweise Pulsenergien im Mikro-Joule-Bereich besitzen.
Die Faser-basierten, optischen Verstärkereinheiten 6, 5 und 4 weisen typischerweise mehrere Meter lange Thulium-dotierte Silikatfasern auf, die über einen Fasermantel und einen Faserkern verfügen, dessen Faserkern im angegebenen Ausführungsbeispiel mit Thulium dotiert ist. Gleichwohl eignen sich Erbium oder Holmium als Dotierstoffe. Zum Zwecke der optischen Verstärkung wird geeignet gewähltes Pumplicht längs des Fasermantels eingekoppelt. Bei den eingesetzten Faser-basierten, optischen Verstärker-Einheiten 6, 5, 4 handelt es sich vorzugsweise jeweils um die Polarisation erhaltende Faserverstärker.
Zum Zwecke der Kompensation der dispersionsbedingten, zeitlichen Pulsdauerstreckung, die die reflektierten Laserimpulse RL durch das erste Volumen-Bragg-Gitter VBG 1 erfahren haben, werden die aus der Faser-basierten, optischen Verstärker-Anordnung 2 austretenden, verstärkten Laserimpulse VL zum Zwecke der Pulskompression in ein zweites Volumen-Bragg-Gitter 2, VBG 2, geleitet. In der illustrierten Laseranordnung sind das erste und zweite Volumen-Bragg-Gitter VBG 1, VBG 2, einstückig ausgebildet, so dass zur Vermeidung einer gegenseitigen Laserimpulsbeeinflussung die Lichtwege innerhalb des Volumen-Bragg-Gitters bezüglich der Seed-Laserimpulse SL sowie der verstärkten Laserimpulse VL räumlich separiert voneinander angeordnet sind. Durch die gleichfalls wellenlängenselektierte Reflexion der verstärkten Laserimpulse VL innerhalb des zweiten Volumen-Bragg-Gitters VBG 2 wird die zeitliche Pulsdauerstreckung, die die reflektierten Laserimpulse RL durch Wechselwirkung mit dem ersten Volumen-Bragg-Gitter VBG 1 erfahren haben, vollständig kompensiert. Zur Separation der innerhalb des zweiten Volumen-Bragg-Gitters 2 reflektierten verstärkten Laserimpulse RVL, die rückläufig zu den auf das zweite Volumen-Bragg-Gitter VBG 2 gerichteten verstärkten Laserimpulse VL orientiert sind, dient eine λ/4 Verzögerungsplatte sowie ein im Strahlengang nachgeordneter Polarisationsstrahlteiler PBS.
Die verstärkten ultrakurzen Laserimpulse RVL gelangen über eine Umlenkeinheit 8, beispielsweise in Form eines Umlenkspiegels in die optische Kompressor-Einheit 9. Die Umlenkung der verstärkten Laserimpulse RVL erfolgt unter der Maßgabe einer verlustarmen Umlenkung und möglichst kompakten Integration der zusätzlichen optischen Kompressor-Einheit 9 in die Laseranordnung L.
Die optische Kompressor-Einheit 9 weist einen Halbleitermaterialkörper, vorzugsweise in Form eines Siliziumkörpers, dessen zugeordnete Propagationslänge PL, längs der die Laserimpulse RVL den Siliziumkörper durchlaufen, derart dimensioniert ist, so dass die Gruppenlaufzeit-Dispersion bedingte zeitliche Pulsdauerstreckung, die die Laserpulse bei Durchtritt durch die Faser-basierten optischen Verstärkereinheiten 4, 5 und 6 erfahren, vollständig kompensiert werden.
Aus der optischen Kompressor-Einheit 9 treten somit pulsbreitenreduzierte, verstärkte, ultrakurze Laserimpulse RVL* aus.
Die Faser-basierten, optischen Verstärker-Einheiten 6 und 5 sind mit strichlierter Linienführung symbolisiert dargestellt, d.h. dass auf wenigstens eine der beiden Faser-basierten, optischen Verstärker-Einheiten 5, 6 verzichtet werden kann ohne die grundsätzliche Funktionalität der Laseranordnung zu beeinträchtigen.
Der aus der optischen Kompressor-Einheit 9 austretende verstärkte Laserimpuls RVL* besitzt gegenüber dem in die optische Kompressor-Einheit 9 eintretenden ultrakurzen Laserimpuls RVL eine um die Gruppenlaufzeit-Dispersion der vorstehend erläuterten Faser-basierten, optischen Verstärker-Einheiten reduzierte zeitliche Pulsdauer und wird mittels einer optischen Abbildungs- und Ablenkungseinheit oAbb, bspw. im Form eines Scannerspiegel auf einen Fokus F abgebildet, der räumlich in der eingangs erläuterten Weise zur Einkopplung in das Material zur Herstellung photonischer Strukturen abgelenkt wird.
Bezugszeichenliste

1: Optische Einheit
2: Faser-basierte optische Verstärker-Anordnung
3: optischer Modulator
4: Faser-basierte, optische Verstärker-Einheit
5: Faser-basierte, optische Verstärker-Einheit
6: Faser-basierte, optische Verstärker-Einheit
7: optischer Zirkulator
8: optisches Umlenkelement
8.1,8.2: Reflektorspiegel
9: Stirnseitige Eintrittsfläche
9.1: Stirnseitige Austrittsfläche
9.2: reflexvermindernde Oberflächenvergütung
RL: reflektierter Laserimpuls
RVL: reflektierter verstärkter Laserimpuls
RVL*: Pulsdauerkomprimierter, verstärkter ultrakurzer Laserimpuls
VL: verstärkter Laserimpuls
VBG1, VBG2: Volumen-Bragg-Gitter
PL: Propagationslänge
L: Laseranordnung
PBS: Polarisationsstrahlteiler
λ/4: λ/4-Verzögerungsplatte
H, H1, H2: Hohlkanal
W: Wellenleiter
WB: Wellenleiterbereich
MB1, MB2: Materialbereich
A: Achse
K1, K2: Kreis, Kreislinie
T: Trajektorie
SE: Strukturelement
MS: Materialsubstrat
EI: Eintritt
Au: Austritt
F: Fokus
oAbb: Optische Abbildungs- und Ablenkungseinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Huan Huang, Lih-Mei Yang and Jian Liu, „Femtosecond fiber laser direct writing of optical waveguide in glasses“ Huang, H., Yang, L., & Liu, J. (2011) In Proc. SPIE, Vol. 8164, p. 81640B [0008]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer photonischen Struktur in einem Medium, das für Licht mit Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 1.5 µm bis 2.1 µm transparent ist, mit folgenden Verfahrensschritten: - Erzeugen ultrakurzer Laserimpulse mit einem Wellenlängenanteil im Wellenlängenbereich von 1.5 µm bis 2.1 µm und mit zeitlichen Pulsdauern im Piko- oder Femtosekundenbereich, - Applizieren und Fokussieren der ultrakurzen Laserimpulse auf das oder in das Material derart, dass das Material im Fokusbereich der Laserimpulse eine Änderung wenigstens eines Materialparameters erfährt, die nach dem Applizieren erhalten bleibt und die Grundlage für die photonische Struktur bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Applizieren der ultrakurzen Laserimpulse auf oder in das Material durch Relativbewegen der ultrakurzen Laserimpulse zum Material längs einer Trajektorie derart erfolgt, so dass sich in einer zeitlichen Abfolge der erzeugten ultrakurzen Laserimpulse wenigstens jeweils zeitlich aufeinanderfolgende ultrakurze Laserimpulse auf oder in dem Material teilweise überlappen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Materialparameter wenigstens eine der nachfolgenden Materialeigenschaften charakterisiert: Brechungsindex, Dichte, Kristallstruktur, Gitterkonstante, Korngrenzen, freie Ladungsträger, Ätzbarkeit, Festigkeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Materialbereich, der eine Änderung des wenigstens einen Materialparameters im Wege des Applizierens mit den ultrakurzen Laserimpulsen erfahren hat, einer chemischen und/oder physikalischen Nachbehandlung unterzogen wird, durch die der wenigstens eine Materialbereich einer Materialdegeneration oder Materialextraktion erfährt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische und/oder physikalische Nachbehandlung wenigstens eine der nachfolgenden Maßnahmen betrifft: chemisches oder physikalisches Ätzen, Ultraschallwellenbeaufschlagung, thermische Behandlung, Spülung mit Gas und/oder Flüssigkeit.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Applizieren der ultrakurzen Laserimpulse räumlich verteilt derart in oder auf das Material durchgeführt wird, so dass die sich im oder auf dem Material ausbildenden, eine Änderung wenigstens eines Materialparameters aufweisenden Bereiche mittel- oder unmittelbar die photonische Struktur bilden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Struktur in Art eines Wellenleiters ausgebildet wird, der sich durch wenigstens einen kontinuierlich zusammenhängenden Materialbereich mit einem gegenüber dem den Materialbereich umgebenden Material geänderten Brechungsindex auszeichnet, oder der sich durch eine Struktur mit sich längs einer und/oder quer zu einer Trajektorie sich periodisch wiederkehrenden Strukturelementen mit jeweils einem gegenüber dem die Strukturelemente umgebenden Material geänderten Brechungsindex auszeichnet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ultrakurzen Laserimpulse zur Ausbildung wenigstens eines kontinuierlich zusammenhängenden Materialbereiches mit geändertem Brechungsindex innerhalb des Materials derart appliziert werden, sodass der Materialbereich ein hohlzylindrisches oder prismatisch ausgebildetes, zumindest abschnittsweise geradlinig oder gekrümmt verlaufendes Volumen innerhalb des Materials umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ultrakurzen Laserimpulse zur Ausbildung einer Vielzahl der kontinuierlich zusammenhängenden Materialbereiche innerhalb des Materials derart appliziert werden, sodass die Vielzahl der kontinuierlich zusammenhängenden Materialbereiche parallel zueinander orientiert sind und gemeinsam einen Bereich des Materials umgeben, in dem das Material keine Änderung wenigstens eines Materialparameters erfahren hat.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, die ultrakurzen Laserimpulse zur Ausbildung einer Vielzahl von sich längs und /oder quer einer Trajektorie sich periodisch wiederkehrenden Strukturelementen innerhalb des Materials derart appliziert werden, dass die Strukturelemente einen sich längs der Trajektorie erstreckenden Bereich des Materials quer zur Trajektorie jeweils gegenüberliegend begrenzen, in dem das Material keine Änderung wenigstens eines Materialparameters erfahren hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ultrakurzen Laserimpulse mittels optischer Verstärkung erzeugt werden, wobei mittels einer optischen Einheit ultrakurze Laserimpulse erzeugt werden, die im Wege einer Chirped-Impulsverstärkung (CPA) verstärkt werden, bei der die ultrakurzen Laserimpulse Faser-Bragg-Gitter-gestützt (FBG) einer zeitlichen Pulsdauerstreckung, einer anschließenden Faser-basierten optischen Verstärkung sowie einer nachfolgenden Volumen-Bragg-Gitter-gestützten, zeitlichen Pulsdauerkompression unterzogen werden, zum Erhalt verstärkter ultrakurzer Laserimpulse, und wobei die ultrakurzen Laserimpulse einer weiteren zeitlichen Pulsdauerkompression unterzogen werden, bei der eine durch Gruppenlaufzeit-Dispersion bedingte im Wege der Faser-basierten optischen Verstärkung hervorgerufene zeitliche Pulsdauerstreckung der verstärkten ultrakurzen Laserimpulse zumindest teilweise kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der weiteren Pulsdauerkompression die verstärkten ultrakurzen Laserimpulse mit einem Medium wechselwirken, das über eine optische Dispersion verfügt, die einer der Faser-basierten optischen Verstärkung zugeordneten Gruppenlaufzeit-Dispersion (GDD) entgegengesetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium und eine durch das Medium gerichtete Propagationslänge, längs der die verstärkten ultrakurzen Laserimpulse mit dem Medium wechselwirken, derart gewählt werden, dass zumindest eine Verkürzung der zeitlichen Pulsdauer der verstärkten ultrakurzen Laserimpulse erzielt wird.
Verfahren nach ein einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Materialien für das Herstellen der photonischen Struktur geeignet sind bei Wellenlängen von 1.5 µm bis 2.1 µm transparent sind: Silizium, GaAs, Ge, Silizium Oxynitrid (SiON), Saphir (Al₂O₃), Yttriumoxid (Y₂O₃), Tantalpentoxid (Ta₂O₅), Niobpentoxid (Nb₂O₅), oxidische Gläser, Borosilikatglas, Kalknatronglas, Quarzglas, sowie folgende Kunststoffe: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Acrylester-Styrol-Acrylnitril (ASA), Polyamid (PA), Polybutylenterephthalat (PBT), Polycarbonat (PC), Polyethylen (PE), Polyetheretherketon (PEEK), Polyethersulfon (PES), Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyoxymethylen (POM), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polytetrafluorethylen (PTFE), Styrol-Acrylnitril (SAN).