DE10296451T5

DE10296451T5 - Laserinduzierte Kristallisation transparenter Glaskeramik

Info

Publication number: DE10296451T5
Application number: DE10296451T
Authority: DE
Inventors: George Halsey Beall; Nicholas Francis Borrelli; Linda Ruth Pinckney
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2001-03-09
Filing date: 2002-02-11
Publication date: 2004-04-29
Also published as: JP2004523917A; US6928224B2; US20020159740A1; WO2002073254A1

Abstract

Wellenleiterstruktur, welche aufweist:
einen Glaskörper;
ein Wellenleitermuster, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlen einer vorher festgelegten Spur auf dem Glaskörper mit ausreichender Energie gebildet ist, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu ziehen bzw. zu züchten.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 60/274,527, eingereicht am 9. März 2001, mit dem Titel „Laser-Induced Crystallization of Transparent Glass-Ceramics" unter den Namen von George H. Beall, Nicholas F. Borrelli und Linda R. Pickney, und beansprucht das Vorrecht auf die U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 09/969,237, eingereicht am 2. Oktober 2001 mit dem Titel „Laser-Induced Crystallization of Transparent Glass-Ceramics" unter den Namen von George H. Beall, Nicholas F. Borrelli und Linda R. Pickney, worauf hier Bezug genommen wird.
Diese Anmeldung bezieht sich auf die U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 09/686,564, mit dem Titel „Transition-Metal Glass Ceramic Gain Media", eingereicht am 11. Oktober 2000, unter den Namen von George H. Beall, Nicholas F. Borrelli, Eric J. Mozdy und Linda R. Pinckney und dem gleichen Treuhänder zugeordnet, wie diese Anmeldung, worauf hier Bezug genommen wird.
Diese Anmeldung bezieht sich auf die U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 09/607,631, mit dem Titel „Patterning an Optical Property on an Optical Element" eingereicht am 30. Juni 2000 unter den Namen von Nicholas Borrelli, Donald M. Trotter und Ljerka Ukrainczyk und dem gleichen An melder übertragen wurde, wie diese Anmeldung, auf welche hier Bezug genommen wird.
Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Photonikanwendungen. Speziell bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Bilden einer ebenen Wellenleiterstruktur.
Stand der Technik
Ebene Wellenleiterstrukturen, wie sie in ebenen Verstärkern und ebenen Wellenleiterlasern eingesetzt werden, sind in der Mikrooptik erwünscht, da sie kompakt sind (im Vergleich zu auf Faser basierenden Wellenleiterstrukturen) und können auf dem gleichen Chip mit anderen Bauelementen integriert werden. Allgemein ausgedrückt, beinhalten ebene Wellenleiterstrukturen eine ebene Kernschicht, welche von einem Substrat getragen wird und eine Mantelschicht, welche auf der Kernschicht gebildet ist. Das Substrat und die Ummantelung besitzen einen niedrigeren Brechungsindex, als die Kernschicht, so dass die optische Strahlung durch interne Totalreflexion innerhalb der Wände begrenzt ist, welche die Kernschicht vom Substrat und der Ummantelung trennen. Typischerweise weist die Kernschicht ein Feld von Wellenleiterkernen (oder von di-elektrischen Streifen) auf, in welchen sich die optische Strahlung ausbreitet.
Derzeitige Verfahren zum Herstellen ebener Wellenleiterstrukturen, wie sie oben beschrieben werden, beinhalten das Liefern eines Substrats, welches eine flache und glatte Oberfläche besitzt. Typischerweise wird das Substrat aus Silizium oder Siliziumdioxid hergestellt. Ein Materi al, welches ein hohen Brechungsindex besitzt, typischerweise ein Silikat, wird dann auf dem Substrat aufgebracht, um die Kernschicht zu bilden. Für Anwendungen, wie zum Beispiel ebene Verstärker, wird die Kernschicht mit einem aktiven optischen Element dotiert, typischerweise einem Seltene-Erde-Metall, wie zum Beispiel Erbium. Ein derartiges. optisch aktives Element wird mit Laserlicht bei einer ausgewählten Wellenlänge angeregt, um mehr Licht (Verstärkung) bei der gleichen Wellenlänge zu erzeugen. Die Kernschicht ist gemustert, um ein Wellenleitermuster zu bilden, üblicherweise durch eine gewisse Variation eines Lithographie-/Ätz-Prozess oder eines Distanz-Sputtern-/Ätz-Prozess. Nach Bilden des Wellenleitermusters wird eine Mantelschicht mit niedrigen Brechungsindex, z. b. Siliziumdioxid auf dem Wellenleitermuster aufgebracht, um die vollständige Wellenleiterstruktur zu bilden. Wenn das Substrat aus einem Material mit hohem Brechungsindex wie zum Beispiel Silizium hergestellt wird, wird typischerweise eine Pufferschicht mit niedrigem Brechungsindex auf dem Substrat vor dem Aufbringen der Kernschicht aufgebracht.
Die beiden Hauptmaterialien, welche gegenwärtig zum Herstellen ebener Wellenleiterstrukturen benutzt werden, sind kristalline Materialien, wie zum Beispiel LiNbO₃, Al₂O₃ und Y₂O₃ und Glasmaterialien, wie zum Beispiel auf Siliziumdioxid basierendes Glas wie Siliziumquarz und auf Phosphat basierendes Glas. Vor kurzem bestand Interesse daran, transparente Glaskeramik bei Photonikanwendungen zu benutzen. Das Interesse rührt von den erwünschten optischen Eigenschaften transparenter Glaskristalle her, welche mit Glaskeramik dotiert sind, für Photonik-Vorrichtungen wie zum Beispiel Laser und Verstärker. Transparente Glaskeramik bietet auch den Vorteil der Glasherstellung bei gleichzeitiger optischer Eigenschaft eines Kristalls. Zum Beispiel wird in der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 09/686,564 (der „564"-Anmeldung) von Beall und anderen, siehe oben, eine transparente Glaskeramik veröffentlicht, welche eine Verstärkung bei jeder Wellenlänge liefert, welche heutzutage bei Telekommunikation von Interesse denkbar ist. Das glaskeramische Verstärkungsmedium weist ein Übergangsmetall-Dotiertes-Glas auf, in welchem extrem kleine Kristalle intern nukleiert sind. Die Kristalle werden aus Bestandsmaterialien der ursprünglichen Glasschmelze gebildet, und sind gleichmäßig über das Glas verteilt. Da das Verstärkungsmaterial auf Glas basiert, kann es schließlich in Siliziumdioxidglasfasern gespliced werden. In der „564"-Anmeldung werden Cr⁴⁺/Forsterite-Glaskeramikmaterialien veröffentlicht, welche bei Wellenlängen emittieren, welche von ungefähr 900 mm bis 1400 mm reichen und Cr⁴⁺/Willemite-Glaskeramikmaterialien, welche bei Wellenlängen emittieren, welche von ungefähr 1100 mm bis 1700 mm reichen.
Die Kristalle in der Glaskeramik liefert die Glaskeramik mit einem Substratbrechungsindex, welcher unterschiedlich von dem Vorgänger- bzw. Zwischen-Glasmaterial ist. Wellenleiterstrukturen können den Vorteil dieses Merkmals nutzen, wenn die Kristalle entlang einer gegebenen Struktur lokal hergestellt werden können. Die „564"-Anmeldung beschreibt ein internes Nukleierverfahren, mit welchem Kristalle gleichmäßig in dem Glasmaterial verteilt werden. Um ein Wellenleitermuster herzustellen, ist ein besseres Steuern, während die Kristalle in dem Glasmaterial gebildet werden, notwendig. Deshalb ist ein Verfahren zum lokalen Herstellen einer kristallinen Phase in einem Glasmaterial erwünscht. In der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 09/607,631 (dem „631"-Patent) von Borrelli et al, siehe oben, wird ein Verfahren zum Mustern eines optischen Materials auf einem optischen Element veröffentlicht. In den Ausführungsformen, welche in dem „631-Patent" veröffent licht werden, wurde eine Energiequelle, wie zum Beispiel ein CO₂-Laser verwendet, um ein doppelbrechendes Glas lokal zu erwärmen, welches darin verteilte ellipsoidenförmige Metall-Halogenidpartikel besitzt. Das lokale Erwärmen führte in den ellipsodienförmigen Metall-Halogenidpartikeln beim Übergang in den Gleichgewichtszustand dazu, dass Kugeln gebildet wurden und entfernte die Doppelbrechung aus den lokal erwärmten Bereichen.
Zusammenfassung der Erfindung
In einem Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf eine Wellenleiterstruktur, welche einen Glaskörper und ein Wellenleitermuster aufweist, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlen einer vorher festgelegten Spur auf dem Glaskörper mit ausreichender Energie gebildet wird, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu züchten bzw. zu ziehen.
In einem anderen Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf eine optische Vorrichtung, welche eine Wellenleiterstruktur und eine Vorrichtung zum Pumpen einer Strahlung in die Wellenleiterstruktur aufweist. Die Wellenleiterstruktur weist einen Glaskörper und ein Wellenleitermuster auf, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlung einer vorher festgelegten Spur auf dem Glaskörper mit ausreichender Energie gebildet wird, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Struktur zu züchten.
In einem anderen Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf eine Laser-Vorrichtung, welche aufweist: einen optischen Resonator, eine Wellenleiterstruktur, welche innerhalb des optischen Resonators angeordnet ist und eine Vorrichtung für Pumpstrahlung in dem optischen Resonator. Die Wellenleiterstruktur weist einen Glaskörper und ein Wellenleitermuster auf, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlung einer vorher festgelegten Struktur auf dem Glaskörper mit ausreichender Energie gebildet wird, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Struktur zu züchten.
In einem anderen Gesichtspunkt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer kristallinen Phase in einem Glaskörper, welches das Bewegen einer Laserquelle im Bezug auf einem Glaskörper entlang einer vorher festgelegten Spur auf dem Glaskörper aufweist. Das Verfahren beinhaltet ferner das Betreiben der Laserquelle, um ausreichend Energie zu liefern, um die Temperatur des Glaskörpers entlang der vorher festgelegten Spur anzuheben, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu züchten.
Andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A zeigt eine Wellenleiterstruktur entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung.
1B zeigt eine Pufferschicht zwischen der Kernschicht und dem Substrat, welches in 1A gezeigt wird.
2A zeigt eine Draufsicht auf die Kernschicht, welche in 1A und 1B zeigt wird.
2B zeigt ein Verfahren zum Bilden einer kristallinen Phase in einem Glasmaterial.
3 zeigt ein Schema eines optischen Verstärkers, welcher eine Wellenleiterstruktur entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet.
4 zeigt ein Schema eines Wellenleiterlasers, welcher eine Wellenleiterstruktur entsprechend einer Ausgangsführungsform der Erfindung beinhaltet.
5 ist ein Röntgenstrahlbeugungsmuster einer Glaskeramik, welche mit einem CO₂-Laser entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung behandelt wurde.
6 ist ein Interferometer-Mikroskop-Bild einer Glaskeramik, welche mit einem CO₂-Laser entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung bearbeitet wurde.
Detailliert Beschreibung
Die Ausführungsformen der Erfindung liefern ein Verfahren zum Schreiben eines vorher festgelegten Musters eines kristallinen Materials auf und in einem andersartigen Glasmaterial, wobei ein Laserstrahl benutzt wird. Der vom Laser erzeugte kristallisierte Bereich hat einen Brechungsindex, welcher von dem des umgebenden Glasmaterials verschieden ist. In einer Ausführungsform nutzt die Erfindung eine derartige Änderung des Brechungsindex, um eine Wellenleiterstruktur herzustellen, welche ein gewünschtes Wellenleitermuster besitzt. Ein derartiges Wellenleitermuster kann in ebenen Verstärkern und anderen ebenen Wellenleitervorrichtungen genutzt werden. Im Allgemeinen beinhaltet der Schreibprozess das Bewegen eines Laserstrahls in Bezug auf das Glasmaterial, um das Glasmaterial auf eine ausreichende Temperatur zu erwärmen, um die kristalline Phase entlang einer gegebenen Spur zu züchten. Um die Kristalle in dem Glasmaterial zu bilden, sollte die Wel lenlänge des Lasers ausreichend Absorption besitzen, um das erforderliche Erwärmen zum Bilden der kristallinen Phasen zu erzeugen. Außerdem sollte der Laser eine fokussierbare Kohärenzlänge besitzen, sodass ein Muster mit hoher Auflösung auf dem Glaskörper gebildet werden kann. Vorzugsweise besitzt der Laser eine Ausgangswellenlänge, bei welcher das Glas einen Absorptionskoeffizienten bei λ besitzt, welche größer als 10 cm^-1 ist. Andere Variationen sind möglich, wenn die allgemeinen Kriterien zum Herstellen ausreichender Wärme eingehalten werden, um die kristalline Phase herzustellen.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindungen werden nun in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. 1A zeigt eine Wellenleiterstruktur 2 entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung. Die Wellenleiterstruktur 2 weist eine Kernschicht 4 auf, welche auf einem Substrat 6 aufgebracht ist und eine Mantelschicht 8, welche auf der Oberfläche der Kernschicht 4 gebildet ist. Die Mantelschicht 8 kann oben auf der Kernschicht 4 gebildet sein, indem eine gebräuchliche Aufbringtechnik genutzt wird, wie zum Beispiel chemische Plasma-Dampf-Deposition, um ein Mantelmaterial, wie zum Beispiel Siliziumdioxid auf der Kernschicht 4 aufbringen. Für eine Wellenleiterstruktur besitzt das Mantelmaterial einen niedrigeren Brechungsindex als die Kernschicht 4. Das Substrat 6, welches auch aus einem Material besteht, welches einen niedrigeren Brechungsindex als die Kernschicht 4 besitzt, kann an der Kernschicht 4 mit einem gebräuchlichem optischen Kleber (nicht gezeigt) befestigt werden. In alternativen Ausführungsformen, wenn zum Beispiel das Substrat aus einem hohen Brechungsindex, wie zum Beispiel Silizium, gebildet wird kann eine Pufferschicht, aus einem Material mit niedrigen Brechungsindex hergestellt, wie zum Beispiel Siliziumdioxid zwischen dem Substrat 6 und der Kernschicht 4 ge bildet werden. 1B zeigt eine Pufferschicht 3 zwischen dem Substrat 6 und der Kernschicht 4.
Zurück zu 1A, hier weist die Kernschicht 4 glaskeramische oder teilweise kristalline Strukturen 10 (oder Wellenleiterkerne) auf, welche in einem Wirtsglasmaterial 12 gebildet sind, wie zum Beispiel ein Silicatglas. Die Glaskeramikstrukturen 10 besitzen einen höheren Brechungsindex als das umgebene Glasmaterial 12, sodass die optische Strahlung, welche sich durch die Glaskeramikstrukturen 10 ausbreitet innerhalb der Glaskeramikstrukturen 10 eingegrenzt wird. 2A zeigt eine Draufsicht auf die Kernschicht 4. In der dargestellten Ausführungsform werden die kristallinen Strukturen 10 in einer allgemeinen parallelen Ausrichtung innerhalb des Glasmaterials 12 angeordnet. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Erfindung nicht auf dieses Muster beschränkt ist. Im Allgemeinen wird das Wellenleitermuster durch das Anwendungsziel festgelegt.
Mit Bezug auf 2B wird zuerst ein Wellenleitermuster entworfen, um die glaskeramischen Strukturen 10 zu bilden. Dann wird das Wellenleitermuster benutzt, um die Bewegung einer Laserquelle 5a in Bezug auf die bzw. relativ zur Kernschicht 4 zu steuern. Wenn die Laserquelle 5a sich relativ zur Kernschicht 4 bewegt, erwärmt der Strahl 5b aus der Laserquelle 5a das Glasmaterial 12 entlang einer Spur, welche durch das Wellenleitermuster bestimmt ist. Wenn die Wärme ausreichend ist, wird das Bilden der kristallinen Phase in dem Glasmaterial 12 injiziert. Eine Maske (nicht gezeigt) wie zum Beispiel eine Stahlmaske kann über der Kernschicht 4 befestigt werden, um die Bereiche, welche nicht dem Laserstrahl 5b ausgesetzt werden sollten, zu schützen.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Laserquelle 5b stationär gehalten werden und das Glasmaterial 12 kann relativ zur Quelle 5b entsprechend dem Wellenleitermuster bewegt werden. Wenn sich das Glasmaterial 12 relativ zur Quelle 5b bewegt, wird der Strahl 5b aus der Laserquelle 5a das Glasmaterial 12 entlang der vorher festgelegten Spuren, welche durch das Wellenleitermuster bestimmt sind, erwärmen. Wie vorher erklärt, sollte die Laserquelle 5b ausreichend Energie liefern, um die Temperatur des Glasmaterials 12 entlang der vorher festgelegten Spuren so zu erhöhen, dass die kristalline Phase gebildet wird.
Für Verstärkungsmedien wird das Glasmaterial 12 mit einem optisch aktiven Element dotiert, wie zum Beispiel Übergangsmetall-Ionen und Seltene-Erde-Metall-Ionen. Das Glasmaterial 12 kann mit dem optisch aktiven Element während des Vorbereitens des Glases dotiert werden, oder das optisch aktive Element kann in dem Glas wie eine feste Substanz ausgewechselt werden. Die feste Substanz wird durch Schmelzen des Glases mit einer Verbindung, welche das optisch aktive Element enthält, und durch nachfolgendes Kühlen der Schmelze hergestellt.
Für kürzere Wellenlängenbereiche, wie zum Beispiel 1500 nm und darunter, wird das Glasmaterial 12 vorzugsweise mit Übergangsmetall-Ionen dotiert. Die Übergangsmetall-Ionen, welche zum Verwenden als Verstärkungsmedien in Betracht kommen, beinhalten diese Übergangsmetall-Ionen, welche, wenn sie innerhalb eines Wirtskristalls sind, in der Lage sind, eine Verstärkung oder Lasern bei einer Wellenlänge im Bereich von ungefähr 900 nm bis ungefähr 3000 nm zu liefern. Vorzugsweise werden die Übergangsmetall-Ionen aus der Gruppe ausgewählt, welche aus V³⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺ und Ti³⁺ besteht . Speziell nützliche Glaskeramikmaterialien, welche Eigenschaften aufweisen, welche sie möglicherweise für das Verwenden als Verstärkungsmedien in optischen Verstärkern ausweisen, beinhalten derartige, bei denen die Glaskeramikbereiche aus Forsterrit (Mg₂SiO₄) , Montizellit (CaMgSiO₄) und α- und/oder β-Willemit (Zn₂SiO₄) mit Cr⁴⁺ als optisch aktives Ion bestehen. Alternativ kann die kristalline Phase Lithium-Germanat mit Cr³⁺ als das optisch aktive Ion sein. Alternativ kann die kristalline Phase Lithium-Magnesium-Orthosilicate oder Lithium-Zink-Orthosilicate mit Cr⁴⁺ als optisch aktives Ion sein.
Verschiedene Modifikationen der Wellenleiterstruktur, wie sie oben beschrieben wurde, sind möglich ohne von der Erfindung abzuweichen. Anstatt zum Beispiel das Wellenleitermuster in der Kernschicht 4 zu schreiben, kann das Wellenleitermuster entweder im Substrat 6 (oder in der Pufferschicht 3 in 1B) oder in der Mantelschicht 8 oder in beiden geschrieben werden. In diesem Fall würde das Substrat und die Mantelschicht 6, 8 ein Glasmaterial aufweisen, in welchem eine gewünschte kristalline Phase gebildet werden kann, wobei das Verfahren der Erfindung genutzt wird. Ferner können das Substrat 6 und/oder die Mantelschicht 8 mit optisch aktiven Elementen dotiert werden, wie oben beschrieben, während die Kernschicht 4 undotiert gelassen wird. Dieses Schema kann sich die Mantelpumptechnik zu nutze machen, welche in vielen Fällen gezeigt wird, um optimale Ausgangsleistungen zu liefern. Ein anderes Beispiel beinhaltet das Bilden des Substrats 6, der Mantelschicht 8 und der Kernschicht 4 aus einem Glasmaterial, in welchem eine gewünschte kristalline Phase durch das Nutzen des Verfahren der Erfindung gebildet werden kann. Das Substrat 6, die Mantelschicht 8 und die Kernschicht 4 können mit optisch aktiven Elementen dotiert werden, wie dies oben beschrieben wurde, wobei die Brechungsindexdif ferenz zwischen der Kernschicht 4 und dem Substrat und der Ummantelung 6, 8 noch ausreicht, um als Wellenleiter zu agieren.
Die Wellenleiterstruktur 2 (und die oben beschriebenen Variationen) wird vorteilhaft als ein Verstärkungsmedium in einem optischen Verstärker benutzt, wie zum Beispiel im Verstärker in 3. Der optische Verstärker 5 weist eine optische Pumpstrahlungsquelle 7 zum Pumpen der Strahlung in die Kernschicht 4 auf, um so die optisch aktiven Elemente in der Kernschicht 4 anzuregen. Die Pumpquelle 7 beinhaltet typischerweise eine Lichtquelle, welche zum Beispiel ein Halbleiterlaser, ein Festkörperlaser, ein Gaslaser, ein Farbstofflaser oder ein Blitzlampe sein kann, welche Strahlung bei einer Wellenlänge innerhalb des Absorptionsbereiches der optisch aktiven Ionen aussendet. Der optische Verstärker 5 beinhaltet ferner eine Koppelvorrichtung 9 für das Einkoppeln des Lichtes, welches durch die Pumpquelle 7 in der Kernschicht 4 erzeugt wird. Die Koppelvorrichtung 9 kann entweder aus Substratoptik oder anderen Wellenleiterstrukturen, wie zum Beispiel Koppler, bestehen. Das Licht von der Pumpquelle 7 breitet sich innerhalb der Wellenleiterkerne in der Kernschicht 4 aus und regt die optisch aktiven Ionen an, das Licht zu verstärken. Das in die Kernschicht 4 gepumpte Licht kann entweder gepulst oder kontinuierlich sein, wie vorher erwähnt, kann das Wellenleitermuster in der Kernschicht 4 in geeigneter Weise an das Anwendungsziel angepasst werden.
Die Wellenleiterstruktur 2 (und die oben beschriebenen Variationen) können auch in verschiedenen Typen von Wellenleiterlasern verwendet werden. Als Beispiel zeigt 4 einen Wellenleiterlaser 14, welcher die Wellenleiterstruktur 2 beinhaltet. Der Wellenleiterlaser 14 weist einen optischen Resonator 16 und eine optische Pumpstrahl quelle 18 auf, z.B. einen Halbleiterlaser, eine Festkörperlaser, einen Gaslaser, einen Farbstofflaser oder eine Blitzlampe. In der dargestellten Ausführungsform ist der optische Resonator aus zwei hoch reflektierenden Spiegeln 20, 22 hergestellt. Die Wellenleiterstruktur 2 ist innerhalb des optischen Resonators 16 angeordnet, umso einen optischen Pfad zwischen den zwei Spiegeln 20, 22 zu definieren. Im Betrieb pumpt die optische Pumpstrahlungsquelle 18 Strahlung in den optischen Resonator 16 und die Strahlung wird wiederholt durch die Wellenleiterstruktur 2 geschickt, wobei ein kleiner Teil durch den Spiegel 22 hindurch bei jedem Durchlauf anregt. Die Kernschicht 4 der Wellenleiterstruktur 2 kann optisch aktive Elemente beinhalten, welche innerhalb der Wirtsglaskeramik getragen werden, um eine gewünschte Verstärkung des Laserausgangssignals zu liefern. Die Kristallphase kann Forsterit, Montizellit und α- und/oder β-Willemit, YAG, Lithium-Germanat-Kristalle, Lithium-Magnesium-Orthosilicate und Lithium-Zink-Orthosilicate beinhalten.
Der Wellenleiterlaser 14 kann in kontinuierlicher Weise betrieben werden, wobei die emittierte Strahlung aus der Resonatorkavität im wesentlichen zeitlich konstant ist. Alternativ kann der Wellenleiterlaser in einer Mode-Lock-Konfiguration betrieben werden, wobei viele longitudinale Moden der Laserkavität phasengelockt werden und dadurch ein Ausgangssignal von sich wiederholenden Pulsen herstellen, welche durch die Umlaufausbreitungszeit des Lichtes durch die Kavität des Resonators zeitlich getrennt sind. Alternativ kann der Laser 14 in einer Q-Switch-Konfiguration betrieben werden, wobei der Verlust der Kavität so gesteuert wird, dass die Energie von der Pumpquelle im Verstärkungsmedium für eine gewisse Zeitperiode gespeichert wird, und dann die angesammelte Energie während eines kurzen Zeitintervalls freigelassen wird. Als Ergebnis produziert der Laser 14 Ausgangspulse mit hoher Energie, welche durch den Zyklus in der Energiespeicher-/Freigabe-Folge getrennt sind. Der Q-Switch-Mechanismus weist gebräuchliche Absorptionsmedien, elektro-optische Modulatoren, aktusto-optische Modulatoren und schwingende Substratoptik auf. Alternativ kann der Laser 14 mit irgendeiner Kombination der obigen Formate bzw. Anordnungen betrieben werden.
Verschiedene Verfahren, welche genutzt werden können, um das Glasmaterial für die Kernschicht (4 in 1A–4) zu bilden, sind entsprechend dem Stand der Technik bekannt. Ein geeignetes Verfahren beinhaltet das Schmelzen einer Menge von Material, welches eine gewünschte Zusammensetzung besitzt. Die Schmelze wird dann gekühlt und Simultan in einem Glaskörper mit einer vorher festgelegten Konfiguration gebildet, wobei herkömmliche Glasbildtechniken verwendet werden. Die Erfindung wurde für Glaszusammensetzungen aufgezeigt, welche in Tabelle 1 aufgelistet sind. Die Zusammensetzungen in den Spalten 1 bis 8 korrespondieren mit jenen, welche eine Spinell-Phase genannt Gahnit herstellen, während die Zusammensetzungen in den Spalten 9 und 10 mit jenen korrespondieren, welche in erster Linie Forsterit und/oder α- und/oder β-Willemit herstellen. In Tabelle 1 werden die Glaszusammensetzungen als Oxide gezeigt. Jedoch können die aktuellen Mengen- bzw. Chargenbestandteile zum Bilden der Gläser viele Materialien beinhalten, entweder als Oxide oder als andere Bestandteile (wie zum Beispiel Hydrooxide oder Halide), welche beim Zusammenschmelzen in die gewünschte glasbildende Schmelze gewandelt werden, welche die geeigneten Oxid-Proportionen enthält. Zum Beispiel wird hoch reiner Sand gebräuchlicher Weise als Quelle für SiO₂ verwendet. Es sollte beachtet werden, dass die Zusammensetzungen in Tabelle 1 zu Illustrationszwecken und nicht dazu dienen, den Umfang der Erfindung in anderer Weise als hier beschrieben zu begrenzen.
Tabelle 1 Glas-Keramik-Zusammensetzungen
In einer typischen Glasbehandlung, werden die Chargen-Materialien, wie zum Beispiel jene, welche in Tabelle 1 aufgeführt sind, sorgfältig zusammengemischt, um eine homogene Schmelze zu erhalten. Die Schmelze wird nachfolgend in Schmelztiegel gebracht, welche typischerweise aus Siliziumoxid oder Platin hergestellt sind. Die Schmelztiegel werden in einem Ofen platziert und die Glasscharge wird geschmolzen und bei einer hohen Temperatur (z. B. 1400 bis 1600°C) für eine Zeitperiode (z. B. von mehreren Stunden bis zu einem Tag) gehalten. Die exakte Temperatur und die zum Schmelzen benötigte Zeit hängen von der Glaszusammensetzung ab. Danach wird die Schmelze in eine Form gegossen, wo sie abkühlt, um einen Glaskörper zu erzielen, welcher die gewünschten Dimensionen besitzt. Es sollte erkannt werden, dass verschiedene Modifikationen für diesen Glasaufbereitungsprozess möglich sind. Zum Beispiel kann der Glaskörper verschiedenen Wärmebehandlungszyklen ausge setzt werden, um Mikrostrukturen zu produzieren, welche so zugeschnitten sind, dass verschiedene mechanische und optische Eigenschaften geliefert werden, z.B. Festigkeit, Widerstandsfähigkeit oder Transparenz.
Ein nach einem Verfahren, wie oben beschrieben, oder einem anderen geeigneten Verfahren behandelter Glaskörper liefert eine Oberfläche zum thermischen Schreiben eines Musters, wobei ein Laserstrahl benutzt wird. Wie vorher erklärt, besitzt der Glaskörper für einen ebenen Verstärker oder eine andere ebene Wellenleitervorrichtung bevorzugt eine ebene Oberfläche. Wenn nötig kann der Glaskörper vor dem Schreibprozess geschliffen/poliert werden. Für Verstärkungsmedien würde der Glaskörper mit einem optisch aktiven Material dotiert werden, wie zum Beispiel Übergangs-Metall-Ionen (z. B. V³⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺ und Ti³⁺) oder Seltene-Erde-Metall-Ionen (z. B . Er³⁺). Das Muster würde dann in den Glaskörper durch Bewegen des Laserstrahls entlang einer gegebenen Spur auf dem Glaskörper gebildet werden. Verfahren zum Steuern eines Laserstrahls, um entlang einer gewünschten Spur sich zu bewegen sind gut bekannt (z. B. bei Herstellvorgängen wie zum Beispiel der Elektronenstrahl-Lithographie). Der Schreibprozess kann mit oder ohne das Hinzufügen einer Maske ausgeführt werden, um die Bereiche, welche nicht zu bestrahlen sind, zu schützen.
Für eine ebene Verstärker-/Laser-Wellenleitungsstruktur ist das Verstärkungsmedium, welches durch das Verfahren der Erfindung hergestellt wird bevorzugterweise Cr⁴⁺/Forsterrit oder Cr⁴⁺/Willemit. Wie vorher erwähnt wird in der U.S. Anmeldung mit der Seriennummer 09/686,564 von Beall et al, siehe oben, veröffentlicht, dass Cr⁴⁺/Fosterrit bei Wellenlängen emittiert, welche von ungefähr 900 nm bis 1400 nm reichen, mit einer Spitzenemis sion bei ungefähr 1150 nm, während Cr⁺⁴/Willemit bei Wellenlängen emittiert, welche von ungefähr 1100 nm bis ungefähr 1700 nm reichen. Diese Emissionen umfassen das herkömmliche Band von 1530 bis 1650 nm und zeigen Breitbandemission im kurzen Wellenlängenbereichsband (d.h. unterhalb von 1500 nm). Diese spektralen Eigenschaften zeigen, dass Glaskeramikmaterialien, welche Cr⁴⁺-Dotierstoffe enthalten das Verstärkungsfenster von 1100 nm bis 1700 nm öffnen können, entsprechend einem Anwachsen in einer Größenordnung der Bandbreite gegenüber der gegenwärtigen Erbiumtechnologie. Cr⁴⁺/Willemit zum Beispiel könnte alleine einen Wellenlängenbereich von 1200 bis 1650 nm abdecken.
In dem Beispiel, welches folgt, wird ein 4-W-CO₂-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μ m benutzt, um die Kristallisation in einem Glasmaterial zu induzieren, welches die Zusammensetzung (6) besitzt, welche in Tabelle 1 gezeigt wird. Der Laserstrahl wurde auf einen Spot von 0,5 mm fokussiert und entlang einer gewünschten Spur auf dem Glas mit 8 mm/s bewegt. Wie vorher erwähnt können andere Typen von Laserstrahlen in geeigneter Weise angewendet werden, wenn sie ausreichend Energie liefern, um die Kristallisation zu induzieren.. Außerdem kann die Ausgangsleistung und die Spotgröße des Laserstrahls variiert werden, entsprechend der gewünschten Geschwindigkeit des Laserschreibprozesses. Damit sollte die Auswahl des Lasers, der Ausgangspegel, die Strahlweite und die Schreibgeschwindigkeit koordiniert werden, um die gewünschte Kristallisation zu erreichen. 5 zeigt eine Röntgenstrahlbeugung des Glasmaterials nach der Belichtung durch den Laser. Der Graph in 5 zeigt die Intensitäten der gebeugten Strahlen bei unterschiedlichen Winkeln während eines 2-θ-Scans. Das typische Beugungsmuster deutet darauf hin, dass die kristalline Struktur diejenige des Gahnit ist. Es gibt auch einige Anzeichen für das Vorhandensein einer Willemit-Phase.
6 zeigt ein interferometrisches Muster, welches den erhöhten Brechungsindex in dem belichteten Bereich des Glases anzeigt. Das interferometrische Muster wurde durch das Verwenden eines 510,8-nm-Laserlichtes erhalten und mit einem Mikroskop aufgezeichnet. Das Wellenfrontstreifenmuster ist ein Ergebnis von verschiedenen Brechungsindizes in den verschiedenen Bereichen der Platte, d.h. der Laser wandert mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in unterschiedlichen Bereichen und entsprechend der Differenz in den Berechungsindizes. Das interferometrische Muster zeigt klar einen signifikant höheren Brechungsindex in der vom Laser bestrahlten Spur (der mittleren Spur in 5) im Vergleich zu umliegenden nicht bestrahlten Bereichen. Der höhere Brechungsindex ist Indikativ für eine Glaskeramikstruktur in der vom Laser bestrahlten Spur. Das Vorhandensein einer Glaskeramikstruktur ist folgerichtig zu dem Röntgenstrahlbeugungsmuster, welches in 5 gezeigt wird.
Die Erfindung kann allgemeine Vorteile liefern. Das Verfahren der Erfindung liefert eine kristalline Phase, welche lokal in einem anderweitigen Glasmaterial gebildet wird. Dies erlaubt, dass Muster, wie zum Beispiel Wellenleitermuster im Glasmaterial gebildet werden. Die Erfindung ist speziell dann attraktiv, wenn eine gewünschte optische Photonikeigenschaft nur in einer kristallinen Umgebung gesehen werden kann. Mit der Fähigkeit, ein vorher festgelegtes Muster auf einem Glasmaterial zu schreiben, ist das Verfahren der Erfindung speziell für das Herstellen von Photonik-Vorrichtungen wie zum Beispiel ebenen Verstärkern, optischen Isolatoren, ebenen Wellenleiterlasern, Teilern, Polarisatoren, optischen Schaltkarten und so weiter geeignet. Falls gewünscht können derartige Vorrichtungen aus Glasmaterialien hergestellt werden, welche mit gewünschten Übergangsmetallen oder Seltene-Erde-Metallen hergestellt werden.
Während die Erfindung beschrieben wurde, indem eine begrenzte Anzahl von Beispielen benutzt wurde, werden Fachleute schätzen, welche Nutzen aus dieser Veröffentlichung ziehen, dass andere Variationen möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie hier veröffentlicht wird, abzuweichen. Entsprechend soll der Umfang der Erfindung nur durch die angehängten Ansprüche begrenzt werden.
Zusammenfassung
Wellenleiterstruktur (2), welche einen Glaskörper (12) und ein Wellenleitermuster (10) aufweist, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlen einer vorher festgelegten Spur auf dem Glaskörper mit ausreichender Energie gebildet ist, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu ziehen bzw. zu züchten.

Claims

Wellenleiterstruktur, welche aufweist: einen Glaskörper; ein Wellenleitermuster, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlen einer vorher festgelegten Spur auf dem Glaskörper mit ausreichender Energie gebildet ist, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu ziehen bzw. zu züchten.
Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei der Glaskörper mit Übergangsmetall-Ionen dotiert ist, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus V³⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺ und Ti³⁺ besteht .
Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei der Glaskörper mit Seltene-Erde-Metall-Ionen dotiert ist.
Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei die kristalline Phase einen Stoff aus der Gruppe umfasst, welche aus Forsterrit, Montizellit, Willemit, Spinell, YAG, Lithium-Germanat, Lithium-Magnesium-Orthosilicate und Lithium-Zink-Orthosilicate besteht.
Wellenleiterstruktur nach Anspruch 1, wobei der Glaskörper eben ist.
Wellenleiterstruktur nach Anspruch 5, welche ferner eine erste Schicht eines Materials aufweist, welches einen niedrigeren Brechungsindex als der Glaskörper aufweist, welche auf einer ersten Oberfläche des Glaskörpers gebildet ist.
Wellenleiterstruktur nach Anspruch 6, welche ferner eine zweite Schicht eines Materials aufweist, welches einen niedrigen Brechungsindex als der Glaskörper aufweist, welche auf einer zweiten Oberfläche des Glaskörpers gebildet ist.
Optische Vorrichtung, welche aufweist: eine Wellenleiterstruktur, welche einen Glaskörper und ein Wellenleitermuster aufweist, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlen einer vorher festgelegten Spur mit einer ausreichenden Energie auf dem Glaskörper gebildet ist, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu züchten; und eine Vorrichtung zum Pumpen von Strahlung in die Wellenleiterstruktur.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Wellenleiterstruktur ferner aufweist: eine erste Schicht von Material, welche auf einer ersten Oberfläche des Glaskörpers gebildet ist und eine zweite Schicht von Material, welche auf einer zweiten Oberfläche des Glaskörpers gebildet ist, wobei die erste und die zweite Schicht des Materials eine niedrigeren Brechungsindex als der Glaskörper besitzen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Glaskörper mit Übergangsmetall-Ionen dotiert ist, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus V³⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺ und Ti³⁺ bestehen.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Glaskörper mit Seltene-Erde-Metall-Ionen dotiert ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die kristalline Phase eines bzw. einen Stoff aus der Gruppe aufweist, welche aus Forsterit, Montizellit, Willemit, Spinell YAG, Lithium-Germanat, Lithium-Magnesium-Orthosilicate und Lithium-Zink-Orthosilicate besteht.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Glaskörper eben ist.
Laservorrichtung, welche aufweist: einen optischen Resonator; eine Wellenleiterstruktur, welche innerhalb des optischen Resonators angeordnet ist, wobei die Wellenleiterstruktur einen Glaskörper und ein Weilenleitermuster aufweist, welches in dem Glaskörper durch Bestrahlen einer vorher festgelegten Spur mit ausreichender Energie auf dem Glaskörper gebildet ist, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu züchten; und eine Vorrichtung zum Pumpen von Strahlung in den optischen Resonator.
Laseranordnung nach Anspruch 14, wobei der Glaskörper mit Übergangsmetall-Ionen dotiert ist, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus V³⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺ und Ti³⁺ besteht.
Laservorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Glaskörper mit Seltene-Erde-Metall-Ionen dotiert ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Glaskörper mit Seltene-Erde-Metall-Ionen dotiert ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die kristalline Phase eines bzw. einen Stoff aufweist, welcher aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Forsterit, Mon tizellit, Willemit, Gahnit, YAG,. Lithium-Germanat, Lithium-Magnesium-Orthosilicate und Lithium-Zink-Orthosilicate besteht.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Glaskörper eben ist.
Verfahren zum Herstellen einer kristallinen Phase in einem Glaskörper, welches aufweist: Bewegen einer Laserquelle relativ zu einem Glaskörper entlang einer vorher festgelegten Spur auf dem Glaskörper; und Betreiben der Laserquelle, um ausreichend Energie zu liefern, um die Temperatur des Glaskörpers entlang der vorher festgelegten Spur anzuheben, um eine kristalline Phase entlang der vorher festgelegten Spur zu züchten.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Glaskörper eine Glaszusammensetzung aufweist, welche, wenn sie mit Laserenergie bestrahlt wird, eine kristalline Phase erzeugt, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Forsterit, Montizellit, Willemit, Spinell, YAG, Lithium-Germanat, Lithium-Magnesium-Orthosilicate und Lithium-Zink-Orthosilicate besteht.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Glaskörper mit Übergangsmetall-Ionen dotiert ist, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus V³⁺, Cr³⁺, Cr⁴⁺, Co²⁺, Fe²⁺, Ni²⁺ und Ti³⁺ besteht .
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Glaskörper mit Seltene-Erde-Metall-Ionen dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 20, welches ferner das Bilden einer ersten Schicht eines Materials, welches einen nied rigeren Brechungsindex als der Glaskörper besitzt, auf einer ersten Oberfläche des Glaskörpers aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24, welches ferner das Bilden einer zweiten Schicht eines Materials, welches einen niedrigeren Brechungsindex als der Glaskörper besitzt, auf einer zweiten Oberfläche des Glaskörpers aufweist.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Glaskörper eine Absorptionskoeffizienten größer als 10 cm-¹ bei einer Ausgangswellenlänge der Laserquelle besitzt.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Laserquelle einen Strahl erzeugt, welcher eine fokussierbare Kohärenzlänge besitzt.