RU2627017C1 - Method for manufacturing waveguide in volume of plate made of porous optical material - Google Patents
Method for manufacturing waveguide in volume of plate made of porous optical material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2627017C1 RU2627017C1 RU2016112430A RU2016112430A RU2627017C1 RU 2627017 C1 RU2627017 C1 RU 2627017C1 RU 2016112430 A RU2016112430 A RU 2016112430A RU 2016112430 A RU2016112430 A RU 2016112430A RU 2627017 C1 RU2627017 C1 RU 2627017C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waveguide
- plate
- volume
- laser beam
- volumetric
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
Landscapes
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к технологии изготовления оптических волноводов, то есть светопроводящих и светоуправляющих структур, расположенных в объеме стекла и может быть использовано в устройствах передачи, обработки и управления оптическим сигналом в оптоэлектронике.The invention relates to a technology for manufacturing optical waveguides, that is, light-conducting and light-controlling structures located in a glass volume and can be used in devices for transmitting, processing, and controlling an optical signal in optoelectronics.
Известен способ изготовления оптических волноводов, основанный на изменении показателя преломления при локальном воздействии перемещаемого относительно стекла, сфокусированного в объем пучка лазерного излучения с длиной волны для которой стекло оптически прозрачно, с фемтосекундной длительностью импульса до пятна дифракционно ограниченного размера (Jason R. Grenier, A. Fernandes, Peter R. Herman. Femtosecond laser writing of optical edge filters in fused silica optical waveguides // OPTICS EXPRESS. 2013. Vol. 21. No. 4. p. 4493-4502; Jaw-Luen Tang, Chien-Hsing Chen, Ting-Chou Chang. Fabrication and characterization of a fused silica-based optical waveguide with femtosecond fiber laser pulses // Microsyst Technol 2012. №18 p. 1815-1821). Увеличение значения показателя преломления на траектории перемещения сфокусированного лазерного пучка располагается в диапазоне 1÷5⋅10-3 и позволяет поддерживать волноводные свойства вдоль траектории, которая выполняет роль сердцевины волновода. Данный способ может быть реализован в двух режимах изготовления в зависимости от состава стекла.There is a known method of manufacturing optical waveguides based on a change in the refractive index under local exposure to a laser beam with a wavelength focused on the glass, focused on the volume of the laser beam for which the glass is optically transparent, with a femtosecond pulse duration up to a diffraction-limited spot (Jason R. Grenier, A. Fernandes, Peter R. Herman. Femtosecond laser writing of optical edge filters in fused silica optical waveguides // OPTICS EXPRESS. 2013. Vol. 21. No. 4. p. 4,493-4,502; Jaw-Luen Tang, Chien-Hsing Chen, Ting-Chou Chang. Fabrication and characterization of a fused silica-based optical waveguide with femtosecond fiber laser pulses // Microsyst Technol 2012. No. 18 p. 1815-1821). An increase in the value of the refractive index on the trajectory of the focused laser beam is in the range of 1 ÷ 5⋅10 -3 and allows maintaining waveguide properties along the trajectory, which acts as the core of the waveguide. This method can be implemented in two manufacturing modes, depending on the composition of the glass.
Один режим изготовления реализуется при использовании лазерной системы с усилителем, в котором энергия в импульсе составляет мДж, а частота повторения импульсов располагается в кГц диапазоне (Jason R. Grenier, A. Fernandes, Peter R. Herman. Femtosecond laser writing of optical edge filters in fused silica optical waveguides // OPTICS EXPRESS. 2013. Vol. 21. No. 4. p. 4493-4502). Другой режим изготовления реализуется на лазерных излучателях с энергией импульса в районе нДж при частоте повторений импульса в МГц диапазоне (Jaw-Luen Tang, Chien-Hsing Chen, Ting-Chou Chang. Fabrication and characterization of a fused silica-based optical waveguide with femtosecond fiber laser pulses // Microsyst Technol 2012. №18 p. 1815-1821). Локальное изменение показателя преломления в обоих режимах основано на механизме нелинейного поглощения (D. М. Krol. Femtosecond laser modification of glass // Journal of Non-Crystalline Solids, 2008, №354, pp. 416-424.).One manufacturing mode is implemented using a laser system with an amplifier in which the energy in the pulse is mJ and the pulse repetition rate is in the kHz range (Jason R. Grenier, A. Fernandes, Peter R. Herman. Femtosecond laser writing of optical edge filters in fused silica optical waveguides // OPTICS EXPRESS. 2013. Vol. 21. No. 4. p. 4493-4502). Another manufacturing mode is implemented on laser emitters with a pulse energy in the region of NJ at a pulse repetition rate in the MHz range (Jaw-Luen Tang, Chien-Hsing Chen, Ting-Chou Chang. Fabrication and characterization of a fused silica-based optical waveguide with femtosecond fiber laser pulses // Microsyst Technol 2012. No. 18 p. 1815-1821). A local change in the refractive index in both modes is based on the nonlinear absorption mechanism (D. M. Krol. Femtosecond laser modification of glass // Journal of Non-Crystalline Solids, 2008, No. 354, pp. 416-424.).
Использование лазерных систем с усилителем (Jason R. Grenier, A. Fernandes, Peter R. Herman. Femtosecond laser writing of optical edge filters in fused silica optical waveguides // OPTICS EXPRESS. 2013. Vol. 21. No. 4. p. 4493-4502) позволяет наиболее эффективно записывать объемные волноводы на силикатных стеклах, а использование лазерных источников (Jaw-Luen Tang, Chien-Hsing Chen, Ting-Chou Chang. Fabrication and characterization of a fused silica-based optical waveguide with femtosecond fiber laser pulses // Microsyst Technol 2012. №18 p. 1815-1821) - на боросиликатных, сульфидных и свинцовых стеклах. Увеличение показателя преломления в обоих режимах не превышает значение 1÷5⋅10-3. Размер фокального пятна сфокусированного пучка лазерного излучения с фемтосекундной длительностью импульса, обеспечивающего нелинейное поглощение в объеме стекла, составляет в обоих режимах 2÷3 мкм и задает диаметр сердцевины объемного волновода. Волноводные свойства объемного волновода с диаметром сердцевины 2÷3 мкм при показателе преломления, превышающем показатель преломления окружающего сердцевину объемного волновода на величину 1÷5⋅10-3, слабы, и это приводит к потерям от 50% и более передаваемого по объемному волноводу оптического сигнала, рассеиваемого в окружающую среду, т.е. в оболочку объемного волновода. Кроме того, слабые волноводные свойства не позволяют создавать изогнутые объемные волноводы с малым радиусом кривизны оптического качества. Рассеивание передаваемого оптического сигнала и ограничения на радиус кривизны изогнутых объемных волноводов являются основными недостатками способа изготовления волновода в объеме стекла в обоих режимах.Using Laser Systems with an Amplifier (Jason R. Grenier, A. Fernandes, Peter R. Herman. Femtosecond laser writing of optical edge filters in fused silica optical waveguides // OPTICS EXPRESS. 2013. Vol. 21. No. 4. p. 4493-4502) allows the most efficient recording of bulk waveguides on silicate glasses, and the use of laser sources (Jaw-Luen Tang, Chien-Hsing Chen, Ting-Chou Chang. Fabrication and characterization of a fused silica-based optical waveguide with femtosecond fiber laser pulses // Microsyst Technol 2012. No. 18 p. 1815-1821) - on borosilicate, sulfide and lead glasses. The increase in refractive index in both modes does not exceed the value of 1 ÷ 5⋅10 -3 . The focal spot size of a focused laser beam with a femtosecond pulse duration, which provides nonlinear absorption in the glass volume, is 2–3 μm in both modes and sets the diameter of the core of the volume waveguide. The waveguide properties of a volume waveguide with a core diameter of 2–3 μm with a refractive index exceeding the refractive index of the volumetric waveguide surrounding the core by 1–5⋅10 -3 are weak, and this leads to losses of 50% or more of the optical signal transmitted through the volumetric waveguide dispersed into the environment, i.e. into the sheath of a volumetric waveguide. In addition, weak waveguide properties do not allow the creation of curved volume waveguides with a small radius of curvature of optical quality. The scattering of the transmitted optical signal and the restrictions on the radius of curvature of curved volumetric waveguides are the main disadvantages of the method of manufacturing a waveguide in a glass volume in both modes.
Известен способ изготовления объемного волновода, который выбран авторами в качестве прототипа (патент РФ №2531222, МПК: G02B 6/10, C03C 23/00, H01P 11/00, дата приоритета 12.07.2013, дата публикации 20.10.2014). Способ изготовления объемного волновода локальным лазерным воздействием в объем пластины из материала прозрачного для лазерного излучения с показателем преломления, равным по величине показателю преломления сердцевины волновода, но превышающим по величине показатель преломления его оболочки, заключается в перемещении сфокусированного лазерного пучка относительно пластины или пластины относительно сфокусированного лазерного пучка до окончания формирования волновода и последующей термической обработки пластины с волноводом в печи. При этом перед формированием волновода пластину из пористого оптического материала помещают в камеру, в которой при комнатной температуре поддерживают относительную влажность воздуха не ниже 60% и не выше 80% в течение не менее 72 часов, но не более 96 часов. Локальное лазерное воздействие осуществляют сфокусированным пучком лазера в плоскость слоя, залегающего на глубине, равной 1/4 толщины пластины, с плотностью мощности не ниже 1,5⋅104 Вт/см2 и не выше 2,5⋅104 Вт/см2. Перемещение сфокусированного лазерного пучка относительно пластины или пластины относительно сфокусированного лазерного пучка осуществляют со скоростью не менее 3 мкм/с, но не более 20 мкм/с многократно до образования волновода. Затем пластину с волноводом подвергают термической обработке при температуре не ниже 870°C, но не выше 890°C в течение не менее 10 минут и не более 20 минут, причем нагрев пластины с волноводом до температуры не выше 140°C осуществляют со скоростью не более 5°C/мин, охлаждают пластину с волноводом после термической обработки отключением печи. Способ основан на массопереносе фрагментов тонкодисперсного аморфного кремнезема, гидратированного молекулами воды, содержащимися в порах и каналах пластины ПС, под действием вторичного постоянного электрического поля, обязанного своим возникновением распределению зарядов, которое происходит под действием переменного электрического поля лазерного излучения, вызывающего поляризацию молекул веществ в порах и каналах ПС в области воздействия лазерного излучения (Костюк Г.К., Сергеев М.М., Яковлев Е.Б. Природа модифицированных областей в объеме стекла, индуцированных лазерным излучением с длиной волны, слабо поглощаемой стеклом / ж. Перспективные материалы. 2013. №9. С: 43-53; Kostyuk, G., М. Sergeev, and Е. Yakovlev, The processes of modified microareas formation in the bulk of porous glasses by laser radiation. Laser Physics, 2015. 25(6): p. 066003.). Термообработка, проводимая после создания объемного волновода с ограничениями на скорость нагрева, на длительность и температуру процесса, направлена на обеспечение сохранения объемного волновода, стабилизацию его оптических характеристик путем стабилизации свойств ПС, которое в ходе термообработки превращается в кварцоидное стекло. Термообработка проводилась в интервале температур 870-890°C в течение 10-20 мин. К недостаткам способа прототипа следует отнести невозможность создания различия в показателе преломления сердцевина-оболочка, превышающего 10-1, т.е. невозможность уменьшить потери передаваемого по объемному волноводу оптического сигнала, а фактически невозможность создать объемный волновод оптического качества. Указанный недостаток способа-прототипа ограничивает использование объемного волновода в объеме стекла в оптоэлектронике. Еще одним недостатком способа-прототипа является необходимость проведения термической обработки после создания объемного волновода, направленной на обеспечения сохранения объемного волновода и стабилизацию оптических характеристик с течением времени. Проведение термической обработки увеличивают длительность изготовления объемного волновода.A known method of manufacturing a volumetric waveguide, which is selected by the authors as a prototype (RF patent No. 2531222, IPC:
Задачей предлагаемого изобретения является создание объемного волновода с различием в значениях показателей преломления сердцевина-оболочка, превышающим 0.12, при сокращении длительности изготовления.The objective of the invention is the creation of a volumetric waveguide with a difference in the values of the refractive indices of the core-cladding in excess of 0.12, while reducing the manufacturing time.
Сущность заключается в том, что в способе изготовления объемного волновода в объеме пластины из пористого оптического материала перемещают сфокусированный пучок лазерного излучения с длительностью импульса не более 200 фс, при частоте следования импульсов не менее 300 кГц с плотностью энергии в импульсе не менее 8⋅103 Дж/см2 и не более 12⋅103 Дж/см2, со скоростью перемещения не менее 0.125 мм/с и не более 3.750 мм/с, относительно пластины или пластины относительно сфокусированного лазерного пучка, при этом используют пластину из пористого оптического материала с термоуплотненными слоями толщиной не более 30 мкм и не менее 5 мкм на широких поверхностях пластины.The essence lies in the fact that in the method of manufacturing a volumetric waveguide, a focused laser beam with a pulse duration of not more than 200 fs is moved in a plate volume of a porous optical material in a volume of a pulse of at least 300 kHz with an energy density of at least 8⋅10 3 J / cm 2 and not more than 12⋅10 3 J / cm 2 , with a travel speed of not less than 0.125 mm / s and not more than 3.750 mm / s, relative to the plate or plate relative to the focused laser beam, using a plate of porous optical material with thermally densified layers with a thickness of not more than 30 microns and not less than 5 microns on wide surfaces of the plate.
Выбор для формирования объемного волновода пластины (ПС) с термоуплотненными слоями на широких поверхностях пластины был обусловлен исследованиями подобных пластин, в которых было показано, что термоуплотненные слои обеспечивают защиту и сохранение развитой внутренней структуры ПС при хранении пластин с термоуплотненными слоями на воздухе (Сергеев М.М., Костюк Г.К., Заколдаев Р.А., Яковлев Е.Б. Лазерная пассивация пористого стекла для защиты от химической деградации и старения. Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. №3. С. 314-322).The choice for the formation of a volumetric waveguide plate (PS) with thermally sealed layers on wide surfaces of the plate was due to studies of similar plates, in which it was shown that thermally sealed layers protect and preserve the developed internal structure of PS during storage of plates with thermally sealed layers in air (Sergeev M. M., Kostyuk GK, Zakoldaev RA, Yakovlev EB Laser passivation of porous glass for protection against chemical degradation and aging. Physical chemistry of the surface and protection of materials. 2015. V. 51. No. 3. P. 314 - 322).
В отсутствие термоуплотненных слоев пластины пористого стекла (ПС) при хранении на воздухе не только теряют прозрачность и темнеют вследствие адсорбции молекул воды и органических соединений, содержащихся в воздухе, но и с увеличением длительности хранения в них уменьшается поверхность пор при одновременном росте их радиусов, т.е. происходит деградация структуры ПС.In the absence of thermally densified layers, porous glass (PS) plates when stored in air not only lose their transparency and darken due to adsorption of water molecules and organic compounds contained in air, but also with increasing storage time, the pore surface decreases with an increase in their radii, t .e. degradation of the PS structure occurs.
При термообработке пластины ПС в печи при нагреве до температур 900-1100°C, называемой спеканием (Леко, В.К., О.В. Мазурин, and Б.Г. Варшал, Свойства кварцевого стекла. 1985: Наука. Ленингр. отд-ние.), основанной на уплотнении разветвленной системы пор и каналов ПС и направленной на долговременную стабилизацию оптических свойств ПС, развитая внутренняя структура ПС не сохраняется.When heat treating PS plates in a furnace when heated to temperatures of 900-1100 ° C, called sintering (Leko, V.K., O.V. Mazurin, and B.G. Varshal, Properties of quartz glass. 1985: Science. Leningrad. ), based on the densification of the branched system of pores and channels of PSs and aimed at the long-term stabilization of the optical properties of PSs, the developed internal structure of PSs is not preserved.
Термоуплотненные слои, занимающие не более 1-2% от объема пластин ПС, призваны сохранять и защищать развитую внутреннюю структуру ПС при хранении и эксплуатации пластин ПС с устройствами и на базе этих пластин.Heat-sealed layers, occupying no more than 1-2% of the volume of PS plates, are designed to preserve and protect the developed internal structure of PS during storage and operation of PS plates with devices and based on these plates.
При формировании объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями различие в показателях преломления сердцевина-оболочка увеличивается по мере увеличения пористости используемого ПС, так как сердцевина волновода - полностью уплотненное ПС - кварцоидное стекло с показателем преломления ~1.46, а оболочка - пористое стекло, показатель преломления которого определяется пористостью пластины ПС, к которой может быть применено понятие оптического материала только в случае высокой прозрачности пластины (коэффициент пропускания τ в видимом и ближнем ИК диапазоне спектра должен превышать значение 0.8 для пластин толщиной 1.2-2 мм). Значения пористости пористого оптического материала могут изменяться в пределах 0.25-0.36. Этому диапазону значений пористости соответствует диапазон значений показателя преломления 1.34-1.28 (Костюк Г.К., Вейко В.П., Роскова Г.П., Цехомская Т.С., Яковлев Е.Б. Показатели преломления высококремнеземных пористых стекол с различной пористостью // Физика и химия стекла. 1989. Т. 15. №2. С.: 231-238.). Во всех экспериментах по созданию объемного волновода использовались пластины ПС с толщиной 1.5 мм и пористостью 0.30 см3/см3 и соответственно с показателем преломления 1.31.When a bulk waveguide is formed in a PS plate with thermally densified layers, the difference in the refractive indices of the core-cladding increases as the porosity of the used PS increases, since the core of the waveguide is a fully densified PS - quartzoid glass with a refractive index of ~ 1.46, and the shell - porous glass, refractive index which is determined by the porosity of the PS plate, to which the concept of optical material can be applied only in the case of high transparency of the plate (transmittance τ in the visible and near-IR spectral ranges should exceed 0.8 for wafers 1.2–2 mm thick). The porosity of the porous optical material can vary between 0.25-0.36. This range of porosity corresponds to a range of values of refractive index 1.34-1.28 (Kostyuk G.K., Veiko V.P., Roskova G.P., Tsekhomskaya T.S., Yakovlev E.B. Refractive indices of high-silica porous glasses with different porosity // Physics and chemistry of glass. 1989. T. 15. No. 2. S .: 231-238.). In all experiments to create a volumetric waveguide, PS plates with a thickness of 1.5 mm and a porosity of 0.30 cm 3 / cm 3 and, respectively, with a refractive index of 1.31 were used.
Указанные в формуле изобретения ограничения на длительность импульса, частоту следования импульсов, плотность энергии в импульсе, а также скорость перемещения сфокусированного пучка относительно пластины или пластины относительно пучка были определены в ходе экспериментов по созданию объемного волновода в объеме пластины ПС с термоуплотненными слоями.The restrictions on the pulse duration, pulse repetition rate, energy density per pulse, and also the speed of the focused beam relative to the plate or plate relative to the beam indicated in the claims were determined during experiments to create a volumetric waveguide in the volume of a PS plate with thermally densified layers.
Сущность изобретения поясняется фигурами, гдеThe invention is illustrated by figures, where
на фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа изготовления объемного волновода в ПС;in FIG. 1 is a diagram of a device for implementing a method for manufacturing a volumetric waveguide in a substation;
на фиг. 2 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 20 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 500 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 10⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 180 фс, частоте следования импульсов 350 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 1 мм/с. Фотография объемного волновода была выполнена в проходящем свете с увеличением 100× на микроскопе Carl Zeiss Axio Imager A1. На фотографии можно различить сердцевину волновода, равную 4 мкм, показатель преломления которой равен показателю преломления кварцоида (n~1.46), и оболочку, окружающую сердцевину, с показателем преломления n~1.31, отвечающим пористости слоя, в котором был сформирован объемный волновод (δ=0.3 см3/см3). Очертание объемного волновода на фотографии свидетельствуют о резкой границе сердцевина-оболочка. Различие в показателях преломления сердцевина-оболочка равно 0.15;in FIG. Figure 2 shows a computer printout of a photograph of a volumetric waveguide in a PS plate with thermally densified layers 20 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 500 μm from the surface of a plate with an energy density of 10–10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 180 fs, a pulse repetition rate of 350 kHz, and a PS plate relative to the
на фиг. 3 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 25 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 620 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 11.4⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 220 фс, частоте следования импульсов 350 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 0.8 мм/с. Фотография объемного волновода была выполнена в проходящем свете с увеличением 100×. На фотографии обращает на себя внимание нарушение структуры объемного волновода;in FIG. Figure 3 shows a computer printout of a photograph of a volumetric waveguide in a PS plate with thermally densified layers 25 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 620 μm from the surface of a plate with an energy density of 11.4 × 10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 220 fs, a pulse repetition rate of 350 kHz, and a PS plate moving relative to the focused laser beam 0.8 mm / s. A photograph of a volumetric waveguide was performed in transmitted light with a magnification of 100 ×. The photograph attracts attention to the violation of the structure of the volume waveguide;
на фиг. 4 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 28 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 300 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 10⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 160 фс, частоте следования импульсов 280 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 2.4 мм/с. Фотография объемного волновода была выполнена в проходящем свете с увеличением 100×. На фотографии заметен слой, окружающий объемный волновод с измененными оптическими характеристиками, т.е. слой, подвергнувшийся частичному термоуплотнению;in FIG. Figure 4 shows a computer printout of a photograph of a volumetric waveguide in a PS plate with thermally densified layers 28 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 300 μm from the surface of a plate with an energy density of 10 10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 160 fs, a pulse repetition rate of 280 kHz, and a PS plate moving relative to the focused laser beam 2.4 mm / s. A photograph of a volumetric waveguide was performed in transmitted light with a magnification of 100 ×. A layer is visible in the photograph surrounding the volume waveguide with altered optical characteristics, i.e. partial heat sealing layer;
на фиг. 5 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 22 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 400 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 6.4⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 180 фс, частоте следования импульсов 340 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 3.2 мм/с. На фотографии объемного волновода, выполненной в проходящем свете с увеличением 100×, граница разделения сердцевина-оболочка в структуре объемного волновода практически незаметна, что указывает на то, что термоуплотнения сердцевины не произошло;in FIG. Figure 5 shows a computer printout of a photograph of a volume waveguide in a PS plate with thermally densified layers 22 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 400 μm from the surface of a plate with an energy density of 6.4 × 10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 180 fs, a pulse repetition rate of 340 kHz, and a PS plate relative to the focused laser beam 3.2 mm / s. In a photograph of a volumetric waveguide made in transmitted light with a magnification of 100 ×, the boundary between the core-cladding in the structure of the volumetric waveguide is almost invisible, which indicates that thermal sealing of the core did not occur;
на фиг. 6 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 20 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 500 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 14.2⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 150 фс, частоте следования импульсов 340 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 0.5 мм/с. На фотографии объемного волновода, выполненной в проходящем свете с увеличением 100×, структура объемного волновода не просматривается. Сформированная структура представляет собой ряд частично перекрывающихся областей сферической формы, диаметр которых варьируется в пределах 10% вдоль сформированной структуры;in FIG. Figure 6 shows a computer printout of a photograph of a volumetric waveguide in a PS plate with thermally densified layers 20 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 500 μm from the surface of a plate with an energy density of 14.2 × 10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 150 fs, a pulse repetition rate of 340 kHz, and a PS plate relative to the focused laser beam 0.5 mm / s. In a photograph of a volumetric waveguide made in transmitted light with a magnification of 100 ×, the structure of the volumetric waveguide is not visible. The formed structure is a series of partially overlapping areas of spherical shape, the diameter of which varies within 10% along the formed structure;
на фиг. 7 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 15 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 250 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 10.8⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 180 фс, частоте следования импульсов 340 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 0.1 мм/с. На фотографии объемного волновода, выполненной в проходящем свете с увеличением 100×, заметны многочисленные нарушения в целостности сердцевины объемного волновода;in FIG. Figure 7 shows a computer printout of a photograph of a volumetric waveguide in a PS plate with thermally densified layers 15 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 250 μm from the surface of a plate with an energy density of 10.8 × 10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 180 fs, a pulse repetition rate of 340 kHz, and a PS plate relative to the focused laser beam 0.1 mm / s. In a photograph of a volumetric waveguide made in transmitted light with a magnification of 100 ×, numerous violations are observed in the integrity of the core of the volumetric waveguide;
на фиг. 8 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 20 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 400 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 8.8⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 180 фс, частоте следования импульсов 350 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 3.9 мм/с. На фотографии объемного волновода, выполненной в проходящем свете с увеличением 100×, граница разделения сердцевина-оболочка практически не различима, что скорее всего указывает на то, что полного термоуплотнения в сердцевине области формирования объемного волновода не произошло;in FIG. Figure 8 shows a computer printout of a photograph of a volumetric waveguide in a PS plate with thermally densified layers 20 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 400 μm from the surface of a plate with an energy density of 8.8 × 10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 180 fs, a pulse repetition rate of 350 kHz, and a PS plate relative to the focused laser beam 3.9 mm / s. In a photograph of a volumetric waveguide made in transmitted light with a magnification of 100 ×, the core-cladding interface is practically indistinguishable, which most likely indicates that complete thermal sealing in the core of the region of formation of the volumetric waveguide did not occur;
На фиг. 9 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 38 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 300 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 9⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 180 фс, частоте следования импульсов 350 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 1.6 мм/с. Фотография объемного волновода была выполнена в проходящем свете с увеличением 100×. На фотографии граница сердцевина-оболочка на некоторых участках объемного волновода выражена слабо.In FIG. Figure 9 shows a computer printout of a photo of a volumetric waveguide in a PS plate with thermally densified layers 38 μm thick on wide surfaces of a PS plate. A volume waveguide was formed at a depth of 300 μm from the surface of a plate with an energy density of 9–10 3 J / cm 2 in a focused laser beam with a pulse duration of 180 fs, a pulse repetition rate of 350 kHz, and a PS plate relative to the focused laser beam 1.6 mm / s. A photograph of a volumetric waveguide was performed in transmitted light with a magnification of 100 ×. In the photograph, the core – cladding boundary is weakly expressed in some parts of the volume waveguide.
На фиг. 10 приведена компьютерная распечатка фотографии объемного волновода в пластине ПС с термоуплотненными слоями толщиной 4 мкм на широких поверхностях пластины ПС. Объемный волновод был сформирован на глубине, равной 250 мкм, от поверхности пластины с плотностью энергии в сфокусированном лазерном пучке 11.2⋅103 Дж/см2 при длительности импульса 180 фс, частоте следования импульсов 320 кГц, со скоростью перемещения пластины ПС относительно сфокусированного лазерного пучка 1.5 мм/с. Фотография объемного волновода была выполнена в проходящем свете с увеличением 100×. На фотографии заметна прерывистость структуры объемного волновода на некоторых участках вдоль его линии.In FIG. Figure 10 shows a computer printout of a photograph of a volume waveguide in a PS plate with thermally densified
Устройство для реализации предлагаемого способа (фиг. 1) содержит: импульсный волоконный иттербиевый лазер 1 с длиной волны λ=1.03 мкм, длительностью импульса 150-350 фс, частотой следования импульса 0-2 МГц, с боком питания лазера 2, с блоком устройства на базе кристалла КДП 3 для преобразования излучения лазера во вторую гармонику с λ=0.515 мкм, пластину 4, установленную под углом 45 к оптической оси лазера, микрообъектив 5 с увеличением 10×, числовой апертурой 0.25 и фокусным расстоянием 4.75±0.25 мм, за которым перпендикулярно оптической оси лазера располагается пластина ПС 6, закрепленная на координатном столе 7, выполненном с возможностью перемещения по осям X и Y со скоростью 0.1-5.0 мм/с и вдоль оси Z, совпадающей с оптической осью лазера с точность перемещения ±1.0 мкм. За пластиной 6 устанавливается линза 8, собирающая прошедшее через пластину ПС 6 излучение на измеритель оптической мощности (ИОМ) Solo 2М (с пироэлектрическим с пироэлектрическим детектором мощности UP 19K - 110F - Н9 с точностью 1% от измеряемой величины и эквивалентом мощности шума 1 мВт) 9 с детектором энергии, соединенным с блоком синхронизации 10, обеспечивающим одновременность включения/выключения блока питания 2 лазера 1 с началом и окончанием перемещения координатного стола 7. Второй измеритель мощности Solo 2М 11 располагается за пластиной 4 и также соединяется с блоком синхронизации 10. В качестве блока синхронизации 10 используется персональный компьютер (ПК).A device for implementing the proposed method (Fig. 1) contains: a pulsed
Устройство работает следующим образом. Излучение лазера 1 проходит через устройство на базе кристалла КДП 3 и пластину 4, установленную под углом 45° к оптической оси лазера 1, при этом до 5% энергии излучения отражается от пластины 4 и попадает на ИОМ 11. Прошедшее через пластину 4 излучение фокусируется объективом 5 в плоскость формирования объемного волновода в слой, располагаемый на определенной (заданной) глубине пластины ПС 6. Одновременно с включением лазера 1 начинается перемещение координатного стола 7 по одной из координат X или Y, удовлетворяющее ограничениям формулы изобретения. При этом часть излучения, прошедшего через формируемый объемный волновод, регистрируется ИОМ 9, размещенным за линзой 8, установленной за пластиной ПС 6. Часть излучения, отраженного пластиной 4, установленной под углом 45° к оптической оси лазера, используется для контроля мощности, формирующей объемный волновод излучения. Момент окончания формирования объемного волновода фиксируется ИОМ 9. Критерием окончания формирования объемного волновода служило прекращение возрастание мощности прошедшего излучения на ИОМ 9. В момент прекращения возрастания мощности блок питания лазера 1 отключается, и одновременно через блок синхронизации 10 прекращается перемещение координатного стола 7.The device operates as follows.
Управление размером объемного волновода осуществляется изменением размера обрасти воздействия, плотностью энергии в импульсе, которая определяется мощностью падающего на ПС 6 излучения, длительностью импульса и частотой следования импульсов, а также изменением скорости сканирования.The size of the volume waveguide is controlled by changing the size of the exposure area, the energy density in the pulse, which is determined by the power of the radiation incident on the
Минимальный размер объемного волновода, который можно изготовить по заявляемому способу, определяется расходимостью пучка излучения используемого лазера 1 и оптическими характеристиками микрообъектива 5 и на приведенном в описании оборудовании может составлять величину ~4 мкм, что соответствует одномодовой волноводной структуре.The minimum size of a volume waveguide that can be manufactured by the claimed method is determined by the divergence of the radiation beam of the used
Различие в показателях преломления сердцевина-оболочка в объемном волноводе определяется пористостью используемого ПС, отвечающего определению оптически прозрачного материала, и для ПС с пористостью δ=0.3 см3/см3, используемых в экспериментах по созданию объемного волновода, достигает значения 0.15. Объемный волновод, состоящий из термоуплотненной сердцевины, показатель преломления которой, равный 1.46, превышает показатель преломления оболочки (n~1.31) на величину 0.15, способен передавать излучение с меньшими потерями по сравнению с волноводом, созданным согласно способу-прототипу. Другими словами, качество волновода, созданного согласно заявляемому способу, превышает качество волновода, созданного согласно способу-прототипу. Связь пористости пластин ПС с показателем преломления справедлива для всех типов ПС, отвечающих определению оптически-прозрачного материала.The difference in the refractive indices of the core-cladding in the bulk waveguide is determined by the porosity of the used PS corresponding to the definition of an optically transparent material, and for PS with the porosity δ = 0.3 cm 3 / cm 3 used in experiments on creating a volume waveguide, it reaches 0.15. A volume waveguide, consisting of a thermally densified core, whose refractive index equal to 1.46 exceeds the sheath refractive index (n ~ 1.31) by 0.15, is capable of transmitting radiation with lower losses compared to the waveguide created according to the prototype method. In other words, the quality of the waveguide created according to the claimed method exceeds the quality of the waveguide created according to the prototype method. The relationship between the porosity of PS plates and the refractive index is valid for all types of PS that meet the definition of an optically transparent material.
В объеме пластины ПС с термоуплотненными слоями толщиной 20 мкм, отвечающей толщине, заявляемой в формуле изобретения, был сформирован объемный волновод в соответствии с параметрами формулы изобретения (фиг. 2), различие в показателях преломления у которого сердцевина-оболочка соответствует значению 0.15.A volume waveguide was formed in the volume of a PS wafer with heat-sealed layers with a thickness of 20 μm corresponding to the thickness claimed in the claims, in accordance with the parameters of the claims (Fig. 2), the difference in refractive indices for which the core-shell corresponds to a value of 0.15.
При формировании объемных волноводах в пластинах ПС с термоуплотненными слоями при условии нарушения хотя бы одного из параметров, приведенных в формуле изобретения, например фиг. 3 (длительность импульса 250 фс), фиг. 4 (частота следования импульсов 270 кГц), фиг. 5 (плотность энергии 6⋅103 Дж/см2), фиг. 6 (плотность энергии 14⋅103 Дж/см2), фиг. 7 (скорость перемещения V пластины ПС с термоуплотненными слоями относительно сфокусированного пучка лазерного излучения 0.1 мм/с), фиг. 8 (скорость V~3.9 мм/с), характерно нарушение структуры волновода; слой с частичным термоуплотнением, окружающий волновод; отсутствие границы разделения сердцевина-оболочка; образование структуры, представляющий собой ряд частично-перекрывающихся областей сферической формы, диаметр которых варьируется в пределах 10% вдоль сформированной структуры; нарушение целостности сердцевины объемного волновода и отсутствие полного термоуплотнения в сердцевине объемного волновода.When forming volumetric waveguides in substrates with thermally densified layers, provided that at least one of the parameters given in the claims is violated, for example, FIG. 3 (pulse duration 250 fs), FIG. 4 (pulse repetition rate 270 kHz), FIG. 5 (
При нарушении ограничения на толщину термоуплотненных слоев пластины ПС, например фиг. 9 (толщина 38 мкм) и фиг. 10 (толщина 4 мкм), в первом случае граница сердцевина-оболочка объемного волновода на некоторых участках выражена слабо, а во втором случае заметна прерывистость структуры объемного волновода на некоторых участках вдоль его линии.When violating the restrictions on the thickness of the heat-sealed layers of the PS plate, for example, FIG. 9 (thickness 38 μm) and FIG. 10 (
На основании вышеизложенного заявляемая совокупность позволяет сформировать объемный волновод, различие в показателях преломления сердцевина-оболочка в котором составляет 0.15, т.е. волновод, оптическое качество которого превышает качество волновода, изготавливаемого согласно способу-прототипу. Исключение операции термообработки сокращает длительность изготовления объемного волновода.Based on the foregoing, the claimed combination allows the formation of a volumetric waveguide, the difference in refractive indices of the core-clad in which is 0.15, i.e. waveguide, the optical quality of which exceeds the quality of the waveguide manufactured according to the prototype method. The exclusion of the heat treatment operation reduces the manufacturing time of the volume waveguide.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016112430A RU2627017C1 (en) | 2016-04-01 | 2016-04-01 | Method for manufacturing waveguide in volume of plate made of porous optical material |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016112430A RU2627017C1 (en) | 2016-04-01 | 2016-04-01 | Method for manufacturing waveguide in volume of plate made of porous optical material |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2627017C1 true RU2627017C1 (en) | 2017-08-02 |
Family
ID=59632325
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016112430A RU2627017C1 (en) | 2016-04-01 | 2016-04-01 | Method for manufacturing waveguide in volume of plate made of porous optical material |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2627017C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2735802C1 (en) * | 2019-11-01 | 2020-11-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Micro-diagnostic device manufacturing method |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1283880A1 (en) * | 1985-03-05 | 1987-01-15 | Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомола | Method of manufacturing waveguides |
US7132223B2 (en) * | 2002-05-16 | 2006-11-07 | Corning Incorporated | Laser-written cladding for waveguide formations in glass |
RU2474849C1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (НИУ ИТМО) | Method of making planar waveguide |
US8380020B2 (en) * | 2001-08-30 | 2013-02-19 | Weidmann Plastics Technology Ag | Planar optical structure forming an evanescent field measuring platform that includes a layer molded by a master |
-
2016
- 2016-04-01 RU RU2016112430A patent/RU2627017C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1283880A1 (en) * | 1985-03-05 | 1987-01-15 | Львовский политехнический институт им.Ленинского комсомола | Method of manufacturing waveguides |
US8380020B2 (en) * | 2001-08-30 | 2013-02-19 | Weidmann Plastics Technology Ag | Planar optical structure forming an evanescent field measuring platform that includes a layer molded by a master |
US7132223B2 (en) * | 2002-05-16 | 2006-11-07 | Corning Incorporated | Laser-written cladding for waveguide formations in glass |
RU2474849C1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (НИУ ИТМО) | Method of making planar waveguide |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2735802C1 (en) * | 2019-11-01 | 2020-11-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" (Университет ИТМО) | Micro-diagnostic device manufacturing method |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Saliminia et al. | Writing optical waveguides in fused silica using 1 kHz femtosecond infrared pulses | |
Nolte et al. | Femtosecond waveguide writing: a new avenue to three-dimensional integrated optics | |
Toratani et al. | Self-fabrication of void array in fused silica by femtosecond laser processing | |
CN102601521A (en) | Method for internally processing transparent medium by femtosecond laser pulse sequence | |
Lipatiev et al. | Direct laser writing of depressed-cladding waveguides in extremely low expansion lithium aluminosilicate glass-ceramics | |
Wang et al. | Optical waveguide fabrication and integration with a micro-mirror inside photosensitive glass by femtosecond laser direct writing | |
RU2627017C1 (en) | Method for manufacturing waveguide in volume of plate made of porous optical material | |
Udrea et al. | Laser polishing of optical fiber end surface | |
RU2531222C1 (en) | Method of making bulk waveguide | |
Vega et al. | Mechanisms of refractive index modification during femtosecond laser writing of waveguides in alkaline lead-oxide silicate glass | |
RU2578747C1 (en) | Method of forming shell of a waveguide structure in a transparent bulk materials and cladding of the waveguide structure | |
RU2474849C1 (en) | Method of making planar waveguide | |
Gaudfrin et al. | Fused silica ablation by double femtosecond laser pulses with variable delays | |
Veiko et al. | Phase-structure transformations of glass-ceramics under laser heating as a way to create new microoptical components and materials | |
Zambon et al. | Fabrication of photonic devices directly written in glass using ultrafast Bessel beams | |
RU2554595C1 (en) | Method of producing microoptical raster | |
Kostyuk et al. | Local laser-induced change of optical properties in the bulk of photochromic porous silicate glass doped by silver and copper halides | |
Eaton et al. | Thermal heating effects in writing optical waveguides with 0.1-5 MHz repetition rate | |
Sun et al. | Diffractive Fresnel lens fabrication with femtosecond Bessel beam writing in silica | |
Wang et al. | Optical planar waveguides in photo-thermal-refractive glasses fabricated by single-or double-energy carbon ion implantation | |
Xu et al. | Femtosecond laser micromachined optical waveguides in LiTaO3 crystal | |
Liu et al. | Optical waveguides fabricated by nitrogen ion implantation in fused silica | |
Kostyuk et al. | Laser induced structural changes in porous glass due to hot and cold compaction | |
CN115166985B (en) | Method for preparing polarization-dependent attenuation element by using ultrafast laser direct writing | |
RU2515672C1 (en) | Method to manufacture microoptic raster |