RU2617455C1 - Device for producing integrated optical waveguide structure - Google Patents
Device for producing integrated optical waveguide structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2617455C1 RU2617455C1 RU2015141964A RU2015141964A RU2617455C1 RU 2617455 C1 RU2617455 C1 RU 2617455C1 RU 2015141964 A RU2015141964 A RU 2015141964A RU 2015141964 A RU2015141964 A RU 2015141964A RU 2617455 C1 RU2617455 C1 RU 2617455C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- source
- laser
- waveguide
- laser radiation
- 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
- G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0013—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide
- G02B6/0015—Means for improving the coupling-in of light from the light source into the light guide provided on the surface of the light guide or in the bulk of it
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области изготовления трехмерных интегральных оптических волноводных микроструктур для прикладного использования в оптических приборах, волоконно-оптических системах связи и других областях науки и техники. Интегральные оптические волноводные микроструктуры привлекают внимание инженеров и исследователей, так как предоставляют возможность создания масштабируемых оптических схем, параметры которых устойчивы по отношению к внешним вредоносным факторам. Такие оптические схемы могут состоять из десятков и сотен оптических элементов (светоделители, фазовые пластины и т.д.), причем параметры элементов устанавливаются на этапе изготовления оптической схемы и впоследствии не требуют настройки.The invention relates to the field of manufacturing three-dimensional integrated optical waveguide microstructures for application in optical devices, fiber-optic communication systems and other fields of science and technology. Integrated optical waveguide microstructures attract the attention of engineers and researchers, as they provide the ability to create scalable optical circuits, the parameters of which are resistant to external harmful factors. Such optical circuits can consist of tens and hundreds of optical elements (beam splitters, phase plates, etc.), and the parameters of the elements are set at the stage of manufacturing the optical circuit and subsequently do not require adjustment.
Предшествующий уровень техникиState of the art
Из уровня техники известны различные устройства для реализации способа фемтосекундной лазерной печати в объеме прозрачных материалов, например система, раскрытая в патенте US 8,644,356, опубликованном 04.02.2014, или системы, описанные в научных статьях К.М. Davies, К. Miura, N. Sugimoto, and К. Hirao, Optics Letters, Vol. 21, Issue 21, pp. 1729-1731, 1996, S.M. Eaton, ML. Ng, R. Osellame, P.R. Herman, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 357, Issues 11-13, pp. 2387-2391, 2011. Указанные устройства используются для изготовления интегральных оптических волноводных структур внутри объема прозрачного материала, при этом не решается проблема последующего сопряжения волноводной структуры с оптическим волокном.Various devices are known from the prior art for implementing a method of femtosecond laser printing in a volume of transparent materials, for example, the system disclosed in US Pat. No. 8,644,356 published on 02/04/2014, or the systems described in K.M. Davies, C. Miura, N. Sugimoto, and C. Hirao, Optics Letters, Vol. 21, Issue 21, pp. 1729-1731, 1996, S.M. Eaton, ML. Ng, R. Osellame, P.R. Herman, Journal of Non-Crystalline Solids, Vol. 357, Issues 11-13, pp. 2387-2391, 2011. These devices are used for the manufacture of integrated optical waveguide structures within the volume of a transparent material, while the problem of the subsequent coupling of the waveguide structure with an optical fiber is not solved.
В заявке US 2012/0325775 A1, опубликованной 27.12.2012, описано устройство для изготовления трехмерных микроструктур на основе эффекта многофотонной полимеризации. При этом облучают фоторезистивный материал лазерным излучением, которое инициирует процесс многофотонной полимеризации в области фокусировки лазерного излучения. Необлученная часть фоторезистивного материала после получения микроструктуры может быть удалена.In the application US 2012/0325775 A1, published December 27, 2012, describes a device for the manufacture of three-dimensional microstructures based on the effect of multiphoton polymerization. In this case, the photoresistive material is irradiated with laser radiation, which initiates the process of multiphoton polymerization in the focus area of the laser radiation. The unirradiated portion of the photoresistive material can be removed after receiving the microstructure.
Недостатком данного устройства является ограниченное количество пригодных материалов, обладающих возможностью полимеризации и заданными оптическими свойствами.The disadvantage of this device is the limited number of suitable materials having the ability to polymerize and the desired optical properties.
В заявке US 2010/0136489 A1, опубликованной 03.06.2010, описано устройство для производства полимерных волноводов, которое включает в себя подложку с фоторезистивной полимерной мембраной, установленную на рабочую платформу, фемтосекундный лазер для фокусировки излучения в мембрану, а также линзы, установленные между подложкой и фемтосекундным лазером. Устройство позволяет записывать в полимерную мембрану волноводную структуру, обладающую высокой эффективностью. Однако в данном устройстве не решается проблема последующего согласования волноводной структуры с оптическим волокном.In the application US 2010/0136489 A1, published 03.06.2010, describes a device for the production of polymer waveguides, which includes a substrate with a photoresistive polymer membrane mounted on a working platform, a femtosecond laser for focusing radiation in the membrane, as well as lenses installed between the substrate and femtosecond laser. The device allows you to record in the polymer membrane waveguide structure with high efficiency. However, this device does not solve the problem of subsequent matching of the waveguide structure with the optical fiber.
Известно техническое решение, раскрытое в заявке CN 101576711, опубликованной 11.11.2009, которое включает в себя систему с фемтосекундным лазером, варьируемый аттенюатор, световой делитель, измеритель мощности, микрообъектив, мобильную платформу, перемещающуюся в трех направлениях, и ПЗС-камеру. Для создания волноводной структуры внутри прозрачного образца предварительно уменьшают излучение от лазера при помощи аттенюатора до требуемых размеров, обеспечивают вертикальное падение лучей на поверхность прозрачного материала с помощью и фокусировку излучения микрообъективом, что позволяет создать двухмерную или трехмерную волноводную структуру внутри образца за счет локального изменения показателя преломления.A technical solution is known, disclosed in the application CN 101576711, published on 11.11.2009, which includes a system with a femtosecond laser, a variable attenuator, a light divider, a power meter, a micro lens, a mobile platform moving in three directions, and a CCD camera. To create a waveguide structure inside a transparent sample, the radiation from the laser with an attenuator is first reduced to the required dimensions, the rays are vertically incident on the surface of the transparent material with the help of and the radiation is focused by a micro lens, which allows creating a two-dimensional or three-dimensional waveguide structure inside the sample due to a local change in the refractive index .
Из уровня техники известна заявка US 2013/223788, опубликованная 29.08.2013, в которой описана установка для создания фотонных проводов, связывающих планарные фотонные интегральные системы и оптические волокна. При этом для создания проводов способом многофотонной полимеризации используются модуль управления, ПЗС-камера, объектив, сканирующие зеркала, в том числе на основе пьезоэлектрического эффекта, лазерный источник коротких импульсов, система позиционирования.The prior art application US 2013/223788, published 29.08.2013, which describes the installation for creating photonic wires connecting planar photonic integrated systems and optical fibers. At the same time, a control module, a CCD camera, a lens, scanning mirrors, including those based on the piezoelectric effect, a laser source of short pulses, and a positioning system are used to create wires using the multiphoton polymerization method.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению является устройство, включающее систему для записи в фоторезистивных материалах на основе процесса многофотонной полимеризации, раскрытое в заявке US 2014/0092372, опубликованной 03.04.2014. Устройство может включать фемтосекундный лазер, оптическую систему, включающую объектив для фокусировки излучения, зеркало, перемещаемое на основе пьезоэлектрического эффекта для точного направления лазерного пучка, систему измерения и контроля процесса записи, включающую ПЗС-камеру, систему контроля и регулировки параметров записи. Недостатком устройства является использование исключительно способа многофотонной полимеризации, который исключает возможность использования ряда материалов.The closest set of essential features to the claimed invention is a device that includes a system for recording in photoresistive materials based on the multiphoton polymerization process, disclosed in application US 2014/0092372, published 03.04.2014. The device may include a femtosecond laser, an optical system including a lens for focusing radiation, a mirror moved based on the piezoelectric effect to accurately direct the laser beam, a measurement and control system for the recording process, including a CCD camera, a system for monitoring and adjusting recording parameters. The disadvantage of this device is the use of exclusively the method of multiphoton polymerization, which eliminates the possibility of using a number of materials.
Недостатками указанных выше систем и устройств являются отсутствие непосредственного доступа к отдельным участкам интегральных оптических волноводных структур, что обусловливает сложность изготовления активных оптических элементов (например, электрооптического или термооптического фазовых модуляторов); отсутствие оптимального алгоритма проектирования топологии структуры с целью минимизации оптических потерь при вводе/выводе излучения из интегральной оптической волноводной структуры.The disadvantages of the above systems and devices are the lack of direct access to individual sections of integrated optical waveguide structures, which makes it difficult to manufacture active optical elements (for example, electro-optical or thermo-optical phase modulators); the lack of an optimal algorithm for designing the structure topology in order to minimize optical losses during the input / output of radiation from an integrated optical waveguide structure.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание активно контролируемых интегральных оптических волноводных микроструктур.The technical problem to be solved by the claimed invention is directed is the creation of actively controlled integrated optical waveguide microstructures.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в увеличении качества сопряжения собственных мод интегральных оптических волноводных структур и оптических волокон, а также обеспечении открытого доступа к жилам волноводов.When solving this problem, a technical result is achieved, which consists in increasing the quality of coupling of the eigenmodes of integrated optical waveguide structures and optical fibers, as well as providing open access to the veins of the waveguides.
Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для изготовления интегральной оптической волноводной структуры в оптически прозрачном образце с показателем преломления n1, включающее трехмерную систему перемещения обрабатываемого образца, электронный блок контроля, ПЗС камеру для наблюдения и выбора области пространства для обработки, пьезоэлектрический дефлектор и объектив, по крайней мере, один первый источник лазерного излучения для создания способом многофотонной полимеризации в местах пересечения волновода с торцами образца выводов, выступающих из поверхности торцов образца, содержит, по крайней мере, один второй источник фемтосекундного лазерного излучения, оптические элементы для фокусировки лазерного излучения при печати внутри образца, по крайней мере, одного волновода с показателем преломления n2 (n2>n1).The specified technical result is achieved due to the fact that the device for manufacturing an integrated optical waveguide structure in an optically transparent sample with a refractive index n 1 , including a three-dimensional system for moving the processed sample, an electronic control unit, a CCD camera for observing and selecting a region of processing space, a piezoelectric deflector and a lens, at least one first source of laser radiation to create a method of multiphoton polymerization at the intersection at novoda with the ends findings specimen protruding from the ends of the sample surface comprises at least one second source of femtosecond laser beam, optical elements for focusing the laser radiation printing inside the sample, at least one waveguide having a refractive index n 2 (n 2 > n 1 ).
Чтобы увеличить коэффициент сопряжения входного излучения и собственных оптических мод волноводной структуры, следует обеспечить соосность геометрии при переходе от печати волновода лазерным пучком лучей от первого источника к созданию выводов способом полимеризации лазерным пучком от второго источника. Для этого предлагается первый источник и второй источник жестко соединить в пространстве и обеспечить их работе в одной системе координат.In order to increase the coupling coefficient of the input radiation and the eigenmodes of the waveguide structure, it is necessary to ensure geometry coherence when switching from printing the waveguide with a laser beam of rays from the first source to making conclusions by laser beam polymerization from the second source. For this, it is proposed that the first source and the second source be rigidly connected in space and ensure their operation in one coordinate system.
В качестве второго источника может использоваться титан-сапфировый фемтосекундный лазер, а в качестве первого источника - иттербиевый волоконный лазер.A titanium-sapphire femtosecond laser can be used as the second source, and a ytterbium fiber laser as the first source.
Образец может быть закреплен на поверхности системы позиционирования, которая представляет собой трехмерную систему перемещения на основе подшипников на воздушной подушке и линейных безщеточных моторов.The sample can be mounted on the surface of the positioning system, which is a three-dimensional displacement system based on air cushion bearings and linear brushless motors.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:
На фиг. 1 изображена схема создания интегральной волноводной оптической структуры способом фемтосекундной лазерной печати. Пучок пишущего лазера 1 фокусируется в объеме образца 2, изготовленного из прозрачного материала. В объеме перетяжки пучка 3 образуется область с измененным показателем преломления относительно необлученного материала. Создание структуры заданной формы производится путем перемещения образца 2 относительно перетяжки пучка 3 вдоль заданной траектории. Вводной торец 4 и выводной торец 5 волноводной структуры 7 располагаются на гранях образца 2, перпендикулярных грани, через которую происходит облучение образца 2.In FIG. 1 shows a diagram of creating an integrated waveguide optical structure by means of a femtosecond laser printing. A beam of a
На фиг. 2 изображена форма сечений перетяжки 3 пишущего лазерного пучка 1. Сечение перетяжки 3, параллельное оси пучка 6, и имеет ассиметричную форму в силу дифракционных эффектов. Сечение перетяжки 3, перпендикулярное оси пучка, имеет симметричную форму (круг) в силу аксиальной симметрии пучка ТЕМ00 моды, излучаемой лазером.In FIG. 2 shows the cross-sectional shape of the
На фиг. 3 изображена схема соосной геометрии ввода (4)/вывода (5) излучения в/из интегральной волноводной оптической структуры. Оси волноводов в области ввода 4 и вывода 5 параллельны оси пучка 6.In FIG. 3 shows a diagram of the coaxial geometry of the input (4) / output (5) of radiation to / from the integrated waveguide optical structure. The axes of the waveguides in the
На фиг. 4 изображена общая схема устройства для создания интегральных оптических волноводных структур. Излучение лазерного источника 8 с помощью оптических элементов 9 направляется на образец 2, закрепленный на трехмерной системе позиционирования 10. Для визуализации процесса создания структур аддитивным способом на основе эффекта многофотонной полимеризации используется система визуализации 11. Управление процессом создания интегральных оптических волноводных структур осуществляется с помощью электронного блока контроля 12.In FIG. 4 shows a general diagram of a device for creating integrated optical waveguide structures. The radiation of the
На фиг. 5 изображена схема возможной реализации устройства для создания интегральных оптических волноводных структур. В качестве источника 8 используется комбинация титан-сапфирового фемтосекундного лазера 13 и иттербиевого волоконного лазера 14. С помощью пассивных оптических элементов 15 и пьезоэлектрического дефлектора 16 лазерное излучение направляется на входную апертуру фокусирующего объектива 17. Излучение фокусируется внутри объема образца 2. Образец 2 закреплен на трехмерной системе позиционирования на воздушной подушке 19. Визуальный контроль процесса изготовления трехмерных структур аддитивным способом на основе эффекта многофотонной полимеризации осуществляется с помощью ПЗС-камеры 18. Сопряжение элементов 13, 14, 16, 18 и 19 комплекса осуществляется с помощью электронного блока контроля 20.In FIG. 5 shows a diagram of a possible implementation of a device for creating integrated optical waveguide structures. A combination of a titanium-
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Изобретение осуществляется за счет использования комбинации способа фемтосекундной лазерной печати и эффекта многофотонной полимеризации в процессе изготовления интегральной оптической волноводной структуры, и соосной геометрии ввода/вывода излучения из полученных структур (фиг. 3). Соосная геометрия ввода/вывода позволяет добиться круглого поперечного сечения волновода, что приводит к увеличению качества сопряжения собственных мод интегральных оптических волноводных структур и оптических волокон.The invention is realized through the use of a combination of the femtosecond laser printing method and the multiphoton polymerization effect in the manufacturing process of an integrated optical waveguide structure, and the coaxial radiation input / output geometry from the resulting structures (Fig. 3). The coaxial input / output geometry makes it possible to achieve a circular cross section of the waveguide, which leads to an increase in the quality of coupling of the eigenmodes of integrated optical waveguide structures and optical fibers.
В предлагаемом устройстве для изготовления трехмерных интегральных оптических волноводных структур используется комбинация способа фемтосекундной лазерной печати в прозрачных материалах (стекла, кристаллические материалы, прозрачные пластики) и эффекта многофотонной полимеризации. Способ фемтосекундной лазерной печати предоставляет возможность создавать трехмерные интегральные оптические волноводные структуры в объеме твердого прозрачного материала неинвазивным способом. Способ многофотонной полимеризации позволяет создавать оптически прозрачные трехмерные структуры путем пространственно селективной полимеризации фоторезистивного материала.The proposed device for the manufacture of three-dimensional integrated optical waveguide structures uses a combination of the method of femtosecond laser printing in transparent materials (glass, crystalline materials, transparent plastics) and the effect of multiphoton polymerization. The method of femtosecond laser printing provides the ability to create three-dimensional integrated optical waveguide structures in the volume of a solid transparent material in a non-invasive way. The multiphoton polymerization method allows the creation of optically transparent three-dimensional structures by spatially selective polymerization of a photoresist material.
Функциональная схема устройства, предназначенного для изготовления интегральных оптических микросхем с открытым доступом к жилам волноводных структур, представлена на фиг. 4. Устройство включает в себя источник лазерного излучения 8, набор оптических компонентов 9, осуществляющих разводку, подготовку и фокусировку лазерного излучения, систему позиционирования 10 обрабатываемого образца 2, систему визуализации 11 обрабатываемой области и электронный блок контроля 12 процесса изготовления структур. В фокальном объеме образуется область, обладающая показателем преломления, отличным от показателя преломления необработанного вещества. Процесс записи волноводных структур осуществляется путем контролируемого перемещения обрабатываемого образца по заданной траектории относительно фокальной перетяжки лазерного пучка. Описанный способ позволяет записывать волноводные структуры произвольной трехмерной конфигурации. Материал образца выбирается таким образом, чтобы вещество было оптически прозрачным в линейном приближении на фундаментальной длине волны записывающего лазера (под фундаментальной длиной волны здесь и далее имеется ввиду длина волны, на которой происходит запись волноводной структуры в объеме образца 2). Поглощение энергии фемтосекундного лазерного импульса в объеме прозрачного диэлектрического материала осуществляется за счет эффектов многофотонной и туннельной ионизации, приводящих к рождению облака плазмы в фокальном объеме. Возникший в результате воздействия передним фронтом импульса газ свободных электронов при достижении критической плотности начинает поглощать энергию лазерного излучения, содержащуюся в хвостовой части импульса. За счет пороговой природы эффектов многофотонной и туннельной ионизации удается добиться высокого пространственного разрешения при обработке прозрачных материалов. После окончания взаимодействия между веществом и фемтосекундным лазерным импульсом энергия, накопленная в фокальном объеме, начинает рассеиваться путем электрон-электронного и электрон-фононного взаимодействий. Изменение показателя преломления внутри фокального объема происходит в связи с изменением структуры вещества, возникающего при нагреве до температур, близких к точке плавления обрабатываемого материала. При условии жесткой фокусировки излучения (т.е. когда размер перетяжки сравним с длиной волны по порядку величины) за счет эффекта тепловой диффузии удается добиться областей изменения локального показателя преломления, по форме близких к сферической. При последовательно обработке соседних областей пространства в веществе можно добиться создания однородной структуры с показателем преломления, отличным от необработанного объема вещества.A functional diagram of a device designed for the manufacture of integrated optical circuits with open access to the conductors of waveguide structures is shown in FIG. 4. The device includes a
Как уже было отмечено выше, описанный способ изготовления волноводных структур обладает существенным недостатком - отсутствием прямого доступа к жиле волновода в процессе создания интегральной оптической волноводной структуры. Для преодоления данного недостатка предлагается использовать способ изготовления трехмерных структур, основанный на эффекте многофотонной полимеризации фоторезистивных веществ. Участок волновода, на котором необходимо обеспечить прямой доступ к жиле волновода, пропечатывается в специальной геометрии, обеспечивающей вывод концов участка на поверхность обрабатываемого образца (фиг. 5). Вывод концов производится в соосной геометрии, соответствующей рисунку фиг. 3. Выведенные на поверхность концы волноводов соединяются между собой прозрачной волноводной структурой, изготовленной способом многофотонной полимеризации.As already noted above, the described method of manufacturing waveguide structures has a significant drawback - the lack of direct access to the core of the waveguide in the process of creating an integrated optical waveguide structure. To overcome this drawback, it is proposed to use a method for manufacturing three-dimensional structures based on the effect of multiphoton polymerization of photoresist substances. The section of the waveguide, on which it is necessary to provide direct access to the core of the waveguide, is printed in a special geometry, which ensures the output of the ends of the section to the surface of the processed sample (Fig. 5). The ends are output in coaxial geometry corresponding to the drawing of FIG. 3. The ends of the waveguides brought to the surface are interconnected by a transparent waveguide structure made by the multiphoton polymerization method.
Способ создания структур, основанный на эффекте многофотонной полимеризации, в отличие от способа фемтосекундной лазерной печати интегральных оптических волноводных структур является аддитивным способом изготовления структур. Под аддитивностью понимается создание структур путем добавления нового материала, а не удаления или изменения структуры материала заранее приготовленного образца. Идея способа состоит в облучении фоторезистивного материала жестко сфокусированным излучением фемтосекундного лазера, что приводит к образованию областей полимеризованного вещества, пространственные размеры которых могут составлять десятки нанометров. Пороговая природа эффекта многофотонной полимеризации предоставляет возможность подбирать параметры облучающего лазера и фокусирующей оптики таким образом, чтобы создавать полимеризованные области заданного размера и формы. Для инициирования процесса многофотонной полимеризации необходима высокая плотность мощности облучающего лазерного излучения, достигаемая лишь в малой пространственной области, содержащейся внутри фокального объема. Фоторезистивный материал состоит из молекул мономеров (99% от общего числа молекул), хромофоров и фотоинициаторов. В результате явления многофотонного поглощения электроны молекул хромофора внутри фокального объема поглощают сразу по несколько квантов облучающего лазера и переходят в возбужденное состояние. В процессе релаксации из возбужденного состояния электроны молекул хромофора излучают фотоны, близкие по частоте к частоте фотонов облучающего лазера, умноженной на число квантов, участвующих в процессе многофотонного поглощения. Эти фотоны (с частотой в ультрафиолетовом диапазоне), в свою очередь, поглощаются молекулами фотоинициаторов, возбуждение которых запускает процесс образования свободных радикалов за счет обрыва двойных связей или колец молекул мономеров. Молекулы свободных радикалов начинают присоединять к себе молекулы мономеров, и, таким образом, образуется плотная трехмерная полимерная сетка. Процесс полимеризации заканчивается тогда, когда все оборванные связи замыкаются друг на друга. Перемещая фокальный объем облучающего лазера внутри фоторезистивного материала, наращивается массив полимеризованного вещества в соответствии с формой желаемой структуры.The method of creating structures based on the effect of multiphoton polymerization, in contrast to the method of femtosecond laser printing of integrated optical waveguide structures, is an additive method of fabricating structures. Additivity refers to the creation of structures by adding new material, rather than removing or changing the structure of the material of a pre-prepared sample. The idea of the method is to irradiate photoresistive material with hard-focused radiation from a femtosecond laser, which leads to the formation of regions of polymerized matter, the spatial dimensions of which can be tens of nanometers. The threshold nature of the multiphoton polymerization effect makes it possible to select the parameters of the irradiating laser and focusing optics in such a way as to create polymerized regions of a given size and shape. To initiate the process of multiphoton polymerization, a high power density of the irradiating laser radiation is required, which is achieved only in a small spatial region contained within the focal volume. Photoresistive material consists of monomer molecules (99% of the total number of molecules), chromophores and photoinitiators. As a result of the multiphoton absorption phenomenon, the electrons of the chromophore molecules inside the focal volume absorb several quanta of the irradiating laser at once and pass into an excited state. During relaxation from the excited state, the electrons of the chromophore molecules emit photons that are close in frequency to the frequency of the photons of the irradiating laser, multiplied by the number of quanta involved in the multiphoton absorption process. These photons (with a frequency in the ultraviolet range), in turn, are absorbed by photoinitiator molecules, the excitation of which triggers the formation of free radicals due to the breaking of double bonds or rings of monomer molecules. The molecules of free radicals begin to attach to themselves the molecules of monomers, and, thus, a dense three-dimensional polymer network is formed. The polymerization process ends when all dangling bonds are closed to each other. By moving the focal volume of the irradiating laser inside the photoresistive material, an array of polymerized material builds up in accordance with the shape of the desired structure.
Используя способ многофотонной полимеризации, в выбранной области пространства создается трехмерная структура произвольной формы. На поверхности прозрачной заготовки, содержащей интегральную оптическую волноводную структуру, выполненную способом фемтосекундной лазерной печати, выбирается участок, на котором на поверхность выведены концы волновода, лежащего в объеме заготовки. С помощью системы визуализации определяется положение концов волновода. Далее, используя способ многофотонной полимеризации, на поверхности заготовки наращивается трехмерная структура, осуществляющая связь между выведенными на поверхность концами волноводов. Неполимеризованный фоторезистивный материал удаляется с поверхности заготовки. В результате один из участков интегральной волноводной оптической структуры, напечатанной в объеме прозрачного материала способом фемтосекундной лазерной печати, изготовлен таким образом, что к нему обеспечен прямой доступ на поверхности заготовки. Такой участок пригоден для дальнейшей модификации волноводной структуры, например создания активного термооптического модулятора.Using the method of multiphoton polymerization, a three-dimensional structure of arbitrary shape is created in the selected region of space. On the surface of a transparent billet containing an integrated optical waveguide structure made by femtosecond laser printing, a section is selected on which the ends of the waveguide lying in the bulk of the billet are brought to the surface. Using the visualization system, the position of the ends of the waveguide is determined. Further, using the method of multiphoton polymerization, a three-dimensional structure is built up on the surface of the workpiece, which communicates between the ends of the waveguides brought to the surface. Unpolymerized photoresistive material is removed from the surface of the workpiece. As a result, one of the sections of the integrated waveguide optical structure printed in the bulk of the transparent material by the method of femtosecond laser printing is made in such a way that it is directly accessible on the surface of the workpiece. Such a section is suitable for further modification of the waveguide structure, for example, the creation of an active thermo-optical modulator.
Лазерная система 8 является одним из трех ключевых элементов устройства, предназначенного для изготовления интегральных оптических волноводных структур. Для того, чтобы обеспечить возможность печати волноводов внутри объема прозрачного диэлектрического материала, параметры лазерной системы должны удовлетворять ряду требований. Во-первых, пиковая интенсивность импульсного излучения должна превышать пороговое значение Ith, определяемое шириной запрещенной зоны обрабатываемого материала Ebg, числовой апертурой фокусирующей оптики NA, длиной волны пишущего излучения λ, длительностью импульса τ и критической мощностью самофокусировки Pcr в соответствии с неравенствомThe
Во-вторых, длительность импульса должны перестраиваться в диапазоне от сверхкоротких импульсов (десятки фемтосекунд и меньше) до умеренно коротких импульсов (сотни фемтосекунд). Это требование связано с необходимостью реализации двух различных режимов фемтосекундной лазерной обработки. Первый режим ответственен за запись волноводных структур в аморфных и твердых прозрачных материалах (например, стекла, кристаллы, пластики) и характеризуется обработкой умеренно короткими лазерными импульсами. Второй режим ответственен за создание структур способом многофотонной полимеризации в фоторезистивных материалах и характеризуется обработкой сверхкороткими лазерными импульсами.Secondly, the pulse duration should be tuned in the range from ultrashort pulses (tens of femtoseconds and less) to moderately short pulses (hundreds of femtoseconds). This requirement is associated with the need to implement two different modes of femtosecond laser processing. The first mode is responsible for recording waveguide structures in amorphous and solid transparent materials (for example, glasses, crystals, plastics) and is characterized by processing with moderately short laser pulses. The second mode is responsible for creating structures by the method of multiphoton polymerization in photoresistive materials and is characterized by processing by ultrashort laser pulses.
В-третьих, частота следования импульсов фемтосекундного лазерного излучения должна быть перестраиваема в диапазоне от 1 Гц до десятков МГц. Это условие обусловлено необходимостью точной настройки времени экспонирования перемещаемого образца в зависимости от материала, из которого изготовлен образец, в процессе печати оптических волноводных структур. Более того, для того чтобы создать условия обработки, при которых соседние облучаемые объемы эффективно сплавляются, необходимо, чтобы частота следования импульса была примерно равна обратной величине времени тепловой диффузии в обрабатываемом материале.Thirdly, the pulse repetition rate of femtosecond laser radiation should be tunable in the range from 1 Hz to tens of MHz. This condition is due to the need to fine-tune the exposure time of the moved sample, depending on the material from which the sample is made, in the process of printing optical waveguide structures. Moreover, in order to create processing conditions under which adjacent irradiated volumes are effectively fused, it is necessary that the pulse repetition rate be approximately equal to the reciprocal of the thermal diffusion time in the material being processed.
В-четвертых, лазерная система должна обладать возможностью перестройки длины волны лазерного излучения. Изготовление структур способом многофотонной полимеризации требует точного подбора длины волны обрабатывающего излучения в соответствии с энергией активации химической реакции полимеризации облучаемого фоторезистивного материала. Энергия активации изменяется в зависимости от химического состава фоторезистивного материала.Fourth, the laser system must be able to tune the wavelength of the laser radiation. The fabrication of structures by multiphoton polymerization requires the exact selection of the wavelength of the processing radiation in accordance with the activation energy of the chemical polymerization reaction of the irradiated photoresist material. The activation energy varies depending on the chemical composition of the photoresist material.
Набор оптических элементов 9, осуществляющих разводку, подготовку и фокусировку лазерного излучения, обеспечивает доставку лазерного излучения с заданными характеристиками к обрабатываемому образцу. Набор элементов 9 должен включать комплект зеркал с высоким коэффициентом отражения на каждой из длин волн лазерного источника, прецизионный пьезоэлектрический дефлектор, который обеспечивает прецизионную печать структур путем смещения перетяжки лазерного пучка относительно неподвижного обрабатываемого образца и управляется с помощью электронного блока контроля 12, и комплект апохроматических объективов с числовыми апертурами в диапазоне от 0,2 NA до 1,25 NA. Как было указано выше, пороговая энергия многофотонных процессов поглощения лазерного излучения определяется, в частности, числовой апертурой фокусирующей оптики.A set of optical elements 9, carrying out the wiring, preparation and focusing of laser radiation, ensures the delivery of laser radiation with specified characteristics to the processed sample. The set of elements 9 should include a set of mirrors with a high reflection coefficient at each wavelength of the laser source, a precision piezoelectric deflector, which provides precision printing of structures by shifting the laser beam waist relative to the stationary sample being processed and controlled by the
Система позиционирования 10 должна обеспечивать, во-первых, трансляционные перемещения обрабатываемого образца 2 с субмикрометрической точностью. Данное требование диктуется характерными пространственными масштабами изготавливаемых структур. Величина поперечного сечения оптического волновода в зависимости от длины волны может принимать значения от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров. Характерные масштабы структур, изготавливаемых способом многофотонной полимеризации, также лежат в области десятков микрометров. Во-вторых, скорость перемещения образца должна перестраиваться в диапазоне от 0 до сотен миллиметров в секунду. Скорость перемещения определяет время экспонирования области обрабатываемого материала.The
Система визуализации 11 представляет собой электронное устройство, с помощью которого изображение фокальной плоскости объектива, фокусирующего лазерное излучение внутри образца 2, передается на электронный блок контроля 12.The
Электронный блок контроля 12 процесса изготовления включает в себя устройства, контролирующие выходные параметры источника лазерного излучения, устройство, контролирующее пьезоэлектрический дефлектор, устройство, контролирующее перемещение образца с помощью системы позиционирования, и устройство, выполняющее функцию сопряжения всех перечисленных выше приборов с целью создания единой системы контроля процесса изготовления интегральных оптических волноводных структур.The
Схема одного из возможных вариантов реализации устройства по созданию интегральных оптических волноводных структур с прямым доступом к жилам оптических волноводов представлена на фиг. 5. Источником лазерного излучения выступает комбинация титан-сапфирового твердотельного 13 и иттербиевого волоконного 14 фемтосекундных лазеров. Иттербиевый волоконный лазер 14 обеспечивает режим генерации умеренно коротких фемтосекундных импульсов (300-600 фс) с частотой повторения в диапазоне от 100 кГц до 3 МГц. Данный диапазон частот удобен для обработки стекол и кристаллов, т.к. величина времени тепловой диффузии τd в данных материалах составляет несколько микросекунд. Фундаментальная длина волны излучения иттербиевого лазера 14 равна 1030 нм и лежит в окне прозрачности большинства распространенных стекол и кристаллов (например, плавленый кварц, боросиликатные стекла, ниобат лития). Титан-сапфировый твердотельный фемтосекундный лазер 13 обеспечивает режим генерации сверхкоротких фемтосекундных импульсов (10-100 фс) с частотой повторения несколько десятков МГц. Обе лазерные системы оснащены акустооптическим модулятором, позволяющим активно регулировать частоту повторения и мощность выходного излучения, а также переключаться между режимами генерации, оптимизированными либо для печати интегральных оптических волноводных структур в объеме известного прозрачного материала, либо для создания структур способом многофотонной полимеризации.A diagram of one of the possible embodiments of the device for creating integrated optical waveguide structures with direct access to the veins of the optical waveguides is shown in FIG. 5. The combination of titanium-sapphire solid-
Выходное излучение лазерной системы с помощью зеркала 15 и дефлектора 16 направляется на вход фокусирующего объектива 17. Пьезоэлектрический дефлектор обеспечивает прецизионное перемещение перетяжки лазерного пучка. Фокусирующий объектив 17 устанавливается таким образом, чтобы обеспечить возможность быстрой замены.The output radiation of the laser system using the
Обрабатываемый образец закрепляется на поверхности системы позиционирования 19. Система позиционирования 19 представляет собой трехмерную систему перемещения на основе подшипников на воздушной подушке и линейных безщеточных моторов. Перемещение образца 2 происходит в двух режимах. Первый режим заключается в плавном перемещении с постоянной скоростью вдоль заданной траектории, что соответствует печати волноводной структуры заданной формы в объеме твердого прозрачного материала. Во втором режиме система позиционирования 19 перемещает образец 2 с определенным шагом размером порядка десятков микрометров. Каждая область последовательно обрабатывается путем перемещения образца 2 с помощью системы позиционирования в одном направлении и перемещении фокальной области лазерного пучка с помощью пьезоэлектрического дефлектора 16 в двух взаимно перпендикулярных направлениях, попарно перпендикулярных первому направлению. Второй режим перемещения образца соответствует изготовлению структур способом многофотонной полимеризации фоторезистивного материала (например, фоторезиста SU-8, OrmoComp и т.д.). Наблюдение и выбор области пространства для обработки осуществляются с помощью ПЗС камеры 18.The processed sample is fixed on the surface of the positioning system 19. The positioning system 19 is a three-dimensional movement system based on bearings on an air cushion and linear brushless motors. The movement of
Сопряжение элементов 13, 14, 16, 18 и 19 осуществляется с помощью электронного блока контроля 20.The pairing of
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015141964A RU2617455C1 (en) | 2015-10-02 | 2015-10-02 | Device for producing integrated optical waveguide structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015141964A RU2617455C1 (en) | 2015-10-02 | 2015-10-02 | Device for producing integrated optical waveguide structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2617455C1 true RU2617455C1 (en) | 2017-04-25 |
Family
ID=58643255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015141964A RU2617455C1 (en) | 2015-10-02 | 2015-10-02 | Device for producing integrated optical waveguide structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2617455C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2675400C1 (en) * | 2017-12-05 | 2018-12-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method of manufacturing divider in integral optical scheme |
| RU2704560C1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-10-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Optical fiber sensor |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2183026C1 (en) * | 2000-11-22 | 2002-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЛабИНТЕХ" (Лаборатория ионных нанотехнологий) | Process of manufacture of optical waveguide device |
| US7157212B2 (en) * | 2003-09-12 | 2007-01-02 | Rohm And Haas Electronic Materials Llc | Optical component formation method |
| US20120325775A1 (en) * | 2011-06-22 | 2012-12-27 | Nanoscribe Gmbh | Method for the production of three-dimensional microstructures |
| US20140093272A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Cartridge and image forming apparatus |
-
2015
- 2015-10-02 RU RU2015141964A patent/RU2617455C1/en active IP Right Revival
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2183026C1 (en) * | 2000-11-22 | 2002-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ЛабИНТЕХ" (Лаборатория ионных нанотехнологий) | Process of manufacture of optical waveguide device |
| US7157212B2 (en) * | 2003-09-12 | 2007-01-02 | Rohm And Haas Electronic Materials Llc | Optical component formation method |
| US20120325775A1 (en) * | 2011-06-22 | 2012-12-27 | Nanoscribe Gmbh | Method for the production of three-dimensional microstructures |
| US20140093272A1 (en) * | 2012-09-28 | 2014-04-03 | Canon Kabushiki Kaisha | Cartridge and image forming apparatus |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2675400C1 (en) * | 2017-12-05 | 2018-12-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) | Method of manufacturing divider in integral optical scheme |
| WO2019112490A1 (en) * | 2017-12-05 | 2019-06-13 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" | Method of producing splitter in integrated optical circuit |
| RU2704560C1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-10-29 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Optical fiber sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gattass et al. | Femtosecond laser micromachining in transparent materials | |
| Bragheri et al. | Optofluidic chip for single cell trapping and stretching fabricated by a femtosecond laser | |
| Jia et al. | Monolithic crystalline cladding microstructures for efficient light guiding and beam manipulation in passive and active regimes | |
| CN104777534B (en) | A kind of preparation facilities and method of femtosecond laser etching waveguide optical grating | |
| US20040094527A1 (en) | Methods for creating optical structures in dielectrics using controlled energy deposition | |
| JP2007532958A (en) | Optically active substrate with a cavity structure | |
| WO2014170872A1 (en) | Method for realizing an optical waveguide in a substrate by means of a femtosecond laser | |
| Bahari et al. | Integrated and steerable vortex lasers using bound states in continuum | |
| RU2617455C1 (en) | Device for producing integrated optical waveguide structure | |
| JP2004196585A (en) | Method for forming heterogeneous phase within material with laser beam, structure and optical parts | |
| Ruiz de Galarreta et al. | Single-step fabrication of high-performance extraordinary transmission plasmonic metasurfaces employing ultrafast lasers | |
| CN108318963B (en) | Parallel multi-angle inclined fiber Bragg grating and preparation method thereof | |
| Choi et al. | Femtosecond laser written embedded diffractive optical elements and their applications | |
| Dyakonov et al. | Low-loss single-mode integrated waveguides in soda-lime glass | |
| Spaleniak et al. | Enabling photonic technologies for seeing-limited telescopes: fabrication of integrated photonic lanterns on a chip | |
| Sharma et al. | Fabrication of functional nanophotonic devices via multiphoton polymerization | |
| CN115166985B (en) | Method for preparing polarization-dependent attenuation element by using ultrafast laser direct writing | |
| Bezpaly et al. | Optical formation of waveguide elements in photorefractive surface layer of a lithium niobate sample | |
| Zhou et al. | Demonstration of a slow-light high contrast metastructure cage waveguide | |
| da Silva Maia | Fabrication of Optofluidic Systems by Femtosecond Laser Micromachining | |
| Sharma | Improved system for fabrication and characterization of nanophotonic devices by multi-photon lithography | |
| PERTOLDI | Mechanical characterization of SZ2080 photoresist and fabrication of a microscale phononic crystal with two-photon polymerization | |
| Corrielli et al. | Applications of Femtosecond-Laser-Generated In-Volume Structures | |
| CN110948126A (en) | Method for changing internal refractive index of medium by using ultrafast laser induced stress field | |
| Sánchez-Hernández et al. | Femtosecond-laser microfabrication of optical waveguides in LiNbO3 for Astrophotonic integrated devices |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191003 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20200713 |