CN102253449A - 一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法 - Google Patents
一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102253449A CN102253449A CN2011100737620A CN201110073762A CN102253449A CN 102253449 A CN102253449 A CN 102253449A CN 2011100737620 A CN2011100737620 A CN 2011100737620A CN 201110073762 A CN201110073762 A CN 201110073762A CN 102253449 A CN102253449 A CN 102253449A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- earth
- doped glass
- glass
- construction method
- coupling resonance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims abstract description 49
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000008878 coupling Effects 0.000 title claims abstract description 22
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000010276 construction Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 13
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 title abstract 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000007500 overflow downdraw method Methods 0.000 claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 8
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000004645 aluminates Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000013590 bulk material Substances 0.000 claims description 3
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 2
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 2
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims description 2
- NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N ytterbium Chemical compound [Yb] NAWDYIZEMPQZHO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 abstract 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract 1
- -1 rare earth ion Chemical class 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910006295 Si—Mo Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Lasers (AREA)
Abstract
一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，该方法有两大步骤：步骤一、采用传统熔融法制备块状立方体稀土玻璃基。玻璃基质中稀土离子掺杂浓度范围为Er：0.6～10wt％；Yb：1～10wt％。步骤二、利用飞秒激光在制备的块状立方体稀土掺杂玻璃中刻写耦合谐振环波导结构。本发明中的3维有源谐振环结构可构建3轴集成光学陀螺以测量3个方向的角速度大小。稀土离子的掺入提供光增益有效地补偿结构中传输光的损耗，增强光波导陀螺的信噪比。因此，将本发明实施于光波导陀螺，可以实现具有高灵敏度的集成化3轴光波导陀螺。它在集成光学陀螺耦合谐振环技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种可提供光增益的稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构，尤其涉及一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，属于集成光学陀螺耦合谐振环技术领域。
(二)背景技术
基于近期硅基光子器件的突破进展，未来集成光学陀螺的研究将全光子集成方向发展，也就是将不同的分离器件比如光源、波导环(代替光纤环)、探测器等集成在同一芯片中以减小器件体积，降低成本，实现规模化生产。此外，在光纤陀螺的产品线中，有一种三轴的光纤陀螺，它的三个感应轴使用同一个超辐射发光二极管光源，并把个调制器、分束器、探测器集成到同一个芯片上。
试想，若使用光波导及硅基光子集成技术将三轴谐振式光波导陀螺集成在同一芯片上，那么其体积将进一步大幅减小(微纳米量级)。通常实现光波导小型化有两种不同的途径。第一种是通过增加包层/芯层折射率差值最大限度地缩小光波导尺寸，如被广泛研究的SOI波导结构。然而这种结构的波导集成方式仅限于平面光路(二维)集成且多为无源结构，从而在一定程度上限制了其发展。第二种方式就是在体材料中充分利用其特征实现分层的波导器件集成，也就是本专利申请中提出的一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构用于实现三轴集成光学陀螺。相比硅基薄膜波导，玻璃波导可以方便的引入光增益、可以很好地与标准光纤实现低损耗耦合，因而收到广泛研究重视。玻璃材料也因制备工艺简单、成本低廉而使之为制造低成本光集成器件提供很好的选择。
目前，用于制备玻璃波导结构的主要工艺有：离子注入、离子交换、质子束刻写和飞秒激光刻写等，前两种方法在制备过程中首先需要制备掩膜以控制波导区域，并且多用于平面波导结构(二维)的制备。飞秒激光利用超短激光脉冲聚焦到透明材料内部，在焦点区域产生非线性吸收引起材料结构变化进而产生正折射率变化。通过控制脉冲能量、焦点大小、扫描速度可以方便的实现不同方位(深度)不同尺寸(模式)的波导结构。通过合理设计波导间隔，使之相互达到理想的光隔绝。经过设计模拟波导尺寸，既有可能实现不同功能的光学器件集成在同一块玻璃材料中，实现三维光学集成。
本发明就利用飞秒激光超短脉冲在稀土掺杂玻璃内部刻写不同方向的谐振环结构，实现三维光学集成，和现有平面玻璃光波导谐振环结构相比，此方案将具有较为明显的优势。
(三)发明内容
1、目的：本发明的目的在于提供一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法。这一结构可以有效地实现1.54um波段的光增益以补偿结构中的光损耗。这一结构可以用于构建集成化3轴玻璃基光波导陀螺。
2、技术方案：
本发明一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，该方法具体步骤如下：
步骤一、采用传统熔融法制备块状立方体(边长范围：5～50mm)稀土掺杂玻璃作为结构材料。其基质材料是磷酸盐或者铝酸盐玻璃。掺杂稀土元素为铒Er和镱Yb。其中Yb作为Er发光的有效的敏化剂，有助于Er离子在1.5μm波段的受激光发射。玻璃基质中稀土离子掺杂浓度范围为：Er：0.6～10wt％；Yb：1～10wt％。
步骤二、在上述的稀土掺杂玻璃立方体块状材料的3个相互垂直的面下方一定深度(深度0.1≤Z≤1mm)利用飞秒激光分别刻写3个谐振环结构。该谐振环结构由两部分组成：第一部分是圆形或跑道形的谐振腔，第二部分是与前者距离很近，几乎相切的，作为输入(输出)耦合器的两条直波导，如图3所示。由于Er的掺入，在玻璃基质谐振环中传播的信号光获得可控的光放大效应，以补偿光在传播、耦合过程中产生的损耗。这样在3个相互垂直的平面中制备谐振环，可以用来测量沿3个平面法向方向的角速度大小，以实现3轴集成光陀螺。
飞秒激光利用超短激光脉冲聚焦到透明材料内部，在焦点区域产生非线性吸收，进而引起材料结构变化，产生正折射率变化。通过控制脉冲能量(～μJ)、扫描速度(～μm/s)、透镜参数等，可以方便的实现不同方位(深度)不同尺寸(模式)的波导结构。如图2所示，利用飞秒激光实现距玻璃材料表面不同距离的波导，实现不同方向的波导。
3、优点及功效：
本发明一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，它可以得到在1.54μm的光增益，其强度取决于泵浦光强度和稀土离子掺杂浓度大小和比例。稀土离子产生的光增益可以有效地补偿结构中传输光的损耗，增强其作为光波导陀螺的信噪比。因此，将本发明的方案实施于光波导陀螺，可以实现具有高灵敏度的集成化光波导陀螺。
(四)附图说明
图1为本发明所述的利用飞秒激光刻写的不同深度不同方向的波导示意图；
图2为图1所示波导示意图的俯视图，图中Z代表波导与玻璃上表面之间的距离；
图3为本发明提出的稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环立体结构示意图。
图4为本发明流程框图
(五)具体实施方式
实施例：
下面结合附图对本发明做进一步的说明。见图4，本发明是一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，该方法具体步骤如下：
步骤一、玻璃基质选择铝酸盐玻璃，采用传统熔融法制备，并制作成图3所示的块状立方体。具体制备过程为：选用设备型号为GGME-10/150的8KW硅钼棒箱式电阻炉，将装在刚玉坩埚中的样品放入该电阻炉中，在900℃下加热15分钟后，取出用玻璃棒快速搅拌，并继续在900℃下加热30分钟，加热结束后迅速倒入到已经预热为380℃的模具中自然退火至室温，然后切割、研磨成如图3所示10mm×10mm×10mm的立方块。其基质成分和掺杂稀土离子种类及其浓度如下：
基质：(wt％)
CaO：30％
Al2O3：35％
B2O3：35％
Er浓度1％；Yb浓度3％。
步骤二、利用飞秒激光在所述块状立方体稀土掺杂玻璃中刻写耦合谐振环波导结构。
飞秒激光利用超短激光脉冲聚焦到透明材料内部，在焦点区域产生非线性吸收引起材料结构变化进而产生正折射率变化。图1、图2所示为利用飞秒激光在块状长方体稀土掺杂玻璃中刻写不同深度，不同方向波导的示意图。图2中的Z值代表波导深度，即波导与图1中上表面之间的距离。
具体制备谐振环的过程为：采用中心波长为800nm、脉冲宽度为50ns、重复频率为1KHz的飞秒激光作为刻写激光束，将其紧聚焦到上述稀土掺杂铝酸盐玻璃内刻写出掩埋光波导，制作出所需谐振环结构。设置脉冲能量为2μJ，并由显微物镜紧聚焦，聚焦的飞秒激光束垂直入射到玻璃块的一个面上。由探测器检测聚焦光斑的大小及其在玻璃块中的定位，激光束焦点位于表面下0.3mm，即刻写出的谐振环距表面距离0.3mm。玻璃块固定在精密三维移动平台上，平台移动速度为5μm/s，沿圆形移动则刻写出圆形谐振环。利用此方法在块状立方体玻璃材料的3个相互垂直的面上刻写3个谐振环结构(如图3所示)，由于Er的掺入，在玻璃基材料中谐振环中传播的信号光可以获得可控的光增益，以补偿光传播、光耦合中产生的损耗。在3个相互垂直的平面中制备谐振环可以测量3个平面法向方向的角速度大小，以实现3轴集成光陀螺。
Claims (4)
1.一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：
步骤一、采用传统熔融法制备块状立方体稀土掺杂玻璃作为结构材料，该基质材料是磷酸盐、铝酸盐玻璃；掺杂稀土元素为铒Er和镱Yb；其中，Yb作为Er发光的有效的敏化剂，有助于Er在1.5μm波段的受激光发射；
步骤二、在上述的稀土掺杂玻璃立方体块状材料的3个相互垂直的面下方深度处，利用飞秒激光分别刻写3个谐振环结构；该谐振环结构由两部分组成：第一部分是圆形、跑道形的谐振腔，第二部分是与前者距离很近的，作为输入、输出耦合器的两条直波导；由于Er的掺入，在玻璃基质中谐振环中传播的信号光获得可控的光放大效应，以补偿光在传播、耦合过程中产生的损耗；这样在3个相互垂直的平面中制备谐振环，用来测量沿3个平面法向方向的角速度大小，以实现3轴集成光陀螺。
2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，其特征在于：步骤一中所述的在玻璃基质中掺杂稀土元素，其掺杂浓度范围为：Er：0.6～10wt％；Yb：1～10wt％。
3.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，其特征在于：步骤一中所述的采用传统熔融法制备块状立方体的稀土掺杂玻璃作为结构材料，该块状立方体的边长范围为5～50mm。
4.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法，其特征在于：步骤二中所述的在稀土掺杂玻璃立方体块状材料的3个相互垂直的面下方深度处利用飞秒激光分别刻写3个谐振环结构，该深度处范围为0.1≤Z≤1mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110073762.0A CN102253449B (zh) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | 一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201110073762.0A CN102253449B (zh) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | 一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102253449A true CN102253449A (zh) | 2011-11-23 |
| CN102253449B CN102253449B (zh) | 2014-04-23 |
Family
ID=44980809
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201110073762.0A Expired - Fee Related CN102253449B (zh) | 2011-03-25 | 2011-03-25 | 一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102253449B (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015027818A1 (zh) * | 2013-08-28 | 2015-03-05 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 内嵌式金属网栅的电磁屏蔽光窗的制备方法 |
| CN104475982A (zh) * | 2014-10-28 | 2015-04-01 | 北京理工大学 | 一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法 |
| CN110836667A (zh) * | 2018-08-17 | 2020-02-25 | 霍尼韦尔国际公司 | 在玻璃状主体中使用稀土增益掺杂剂的固态环形激光陀螺仪 |
| CN115113327A (zh) * | 2022-07-05 | 2022-09-27 | 中山大学 | 一种oam放大器制备装置、方法及oam放大器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1583627A (zh) * | 2004-06-01 | 2005-02-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 磷酸盐玻璃光波导的制作方法 |
| CN101576711A (zh) * | 2008-12-31 | 2009-11-11 | 南开大学 | 利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置及方法 |
-
2011
- 2011-03-25 CN CN201110073762.0A patent/CN102253449B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1583627A (zh) * | 2004-06-01 | 2005-02-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 磷酸盐玻璃光波导的制作方法 |
| CN101576711A (zh) * | 2008-12-31 | 2009-11-11 | 南开大学 | 利用飞秒激光在透明固体材料中制作光波导的装置及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ROBERTO OSELLAME 等: "Optical waveguide writing with a diode-pumped femtosecond oscillator", 《OPTICS LETTERS》 * |
| S. NOLTE 等: "Femtosecond waveguide writing: a new avenue to three-dimensional integrated optics", 《APPLIED PHYSICS A》 * |
| 张峰等: "光波导制备的研究进展", 《光学技术》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015027818A1 (zh) * | 2013-08-28 | 2015-03-05 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 内嵌式金属网栅的电磁屏蔽光窗的制备方法 |
| CN104475982A (zh) * | 2014-10-28 | 2015-04-01 | 北京理工大学 | 一种基于离子着色的飞秒激光加工玻璃的方法 |
| CN110836667A (zh) * | 2018-08-17 | 2020-02-25 | 霍尼韦尔国际公司 | 在玻璃状主体中使用稀土增益掺杂剂的固态环形激光陀螺仪 |
| CN115113327A (zh) * | 2022-07-05 | 2022-09-27 | 中山大学 | 一种oam放大器制备装置、方法及oam放大器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102253449B (zh) | 2014-04-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | Circular cladding waveguides in Pr: YAG fabricated by femtosecond laser inscription: Raman, luminescence properties and guiding performance | |
| CN102253449B (zh) | 一种稀土掺杂玻璃基三维有源耦合谐振环结构的构建方法 | |
| CN104777534A (zh) | 一种飞秒激光刻蚀波导光栅的制备装置及方法 | |
| US20160326667A1 (en) | Monolithic heterogeneous single crystals with multiple regimes for solid staet laser applications | |
| CN106525281B (zh) | 基于稀土离子上转换荧光的光纤测温装置及其测温方法 | |
| Long et al. | Buried waveguide in neodymium-doped phosphate glass obtained by femtosecond laser writing using a double line approach | |
| CN104092087A (zh) | 一种高能量短脉冲光纤激光放大器 | |
| Ren et al. | Laser emission from low-loss cladding waveguides in Pr: YLF by femtosecond laser helical inscription | |
| CN108258571A (zh) | 基于超强上转换多组分玻璃材料的微球腔激光器制备方法 | |
| Wu et al. | The nonlinear effects and applications of gain doped whispering-gallery mode cavities | |
| CN103001117A (zh) | 一种芯片集成的氧化硅微球激光器 | |
| Bordon et al. | A new double-line waveguide architecture for photonic applications using fs laser writing in Nd3+ doped GeO2-PbO glasses | |
| Clabel H et al. | Overall aspects of glasses for photonic devices | |
| Wang et al. | Near-infrared carbon-implanted waveguides in Tb 3+-doped aluminum borosilicate glasses | |
| CN203871645U (zh) | 一种低噪声保偏单频光纤激光器 | |
| Shen et al. | Near-infrared carbon-implanted Er 3+/Yb 3+ co-doped phosphate glass waveguides | |
| CN208368937U (zh) | 一种级联泵浦的微腔激光器 | |
| Khudyakov et al. | Optimisation of an acoustically antiguiding structure for raising the stimulated Brillouin scattering threshold in optical fibres | |
| Li et al. | Low threshold fiber taper coupled rare earth ion-doped chalcogenide microsphere laser | |
| Mlynczak et al. | Performance analysis of thermally bonded Er 3+, Yb 3+: glass/Co 2+: MgAl 2 O 4 microchip lasers | |
| An et al. | Ultrafast laser inscribed cladding waveguides in Nd: YAG crystal for mid-infrared wavelength | |
| CN104466660A (zh) | 一种全固态自拉曼可调谐激光器 | |
| Tang et al. | Tubular depressed cladding waveguide laser realized in Yb: YAG by direct inscription of femtosecond laser | |
| Prakash et al. | Optical amplifiers from rare-earth co-doped glass waveguides | |
| Sun et al. | Photochromic glasses and He+-implanted waveguides |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140423 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |