RU2781465C1

RU2781465C1 - Method for laser recording of integral waveguides

Info

Publication number: RU2781465C1
Application number: RU2021136305A
Authority: RU
Inventors: Андрей Сергеевич Наумов; Сергей Викторович Лотарев; Алексей Сергеевич Липатьев; Сергей Сергеевич Федотов; Виталий Иванович Савинков; Владимир Николаевич Сигаев
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2022-10-12

Abstract

FIELD: laser technology.

SUBSTANCE: invention relates to the field of laser processing of materials, in particular to a method for laser recording of integral waveguides based on a local change in the refractive index of a glass-crystal material by focused femtosecond laser radiation. The claimed method for recording integral waveguides, based on a change in the refractive index of a transparent dielectric, includes focusing femtosecond laser pulses into the volume of the dielectric, the movement of the focused beam along a given trajectory and sequential recording of several parallel tracks bounding an area of unmodified material. At the same time, a lithium-aluminum silicate sitall is used as a transparent dielectric, and a femtosecond laser generates pulses at a wavelength of 1030 nm, with a duration of 180÷600 fs, with a repetition frequency of 1÷100 kHz, with an energy of 200÷4000 NJ when a focused laser beam is moved by a lens with a numerical aperture of 0.45÷0.65 at a speed of 200÷1000 mcm/s, with a step between the tracks forming the cylindrical shell of the waveguide, 3÷5 mcm. The obtained result can be used to create waveguide devices of IR optics, including thermostable integrated optical circuits.

EFFECT: possibility of laser recording of a cylindrical waveguide shell with a reduced refractive index in the volume of a transparent glass–crystal matrix.

1 cl

Description

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу лазерной записи интегральных волноводов, основанному на локальном изменении показателя преломления стеклокристаллического материала сфокусированным излучением фемтосекундного лазера. Полученный результат может быть использован для создания волноводных устройств ИК оптики, в том числе термостабильных интегральных оптических схем.The invention relates to the field of laser processing of materials, in particular to a method for laser recording of integral waveguides, based on a local change in the refractive index of a glass-ceramic material by focused femtosecond laser radiation. The result obtained can be used to create waveguide devices for IR optics, including thermally stable integrated optical circuits.

Последние достижения в области микромодификации структуры прозрачных диэлектриков сверхкороткими лазерными импульсами повышают актуальность исследования прямой лазерной записи канальных волноводов и других интегральных оптических компонентов. Существует три основных типа волноводов, зависящих от изменения показателя преломления, вызванного лазерным воздействием на материал. Волноводы I типа основаны на лазерно-индуцированном увеличении показателя преломления сред, и их сердцевина может быть непосредственно записана лазерным лучом. В патенте US 6977137 В2 были подобраны режимы лазерной модификации структуры силикатного стекла с добавками оксидов B₂O₃ и GeO₂. Канал с увеличенным показателем преломления формировался в объеме образцов лазерными импульсами, генерируемыми титан-сапфировым лазером, с длиной волны излучения 830 нм, энергией 0,1÷10 мкДж, длительностью импульсов 18 фс и частотой следования 1÷250 кГц. Лазерный луч фокусировался в объем образцов при помощи объективов 5х и 20х (NA = 0,15 и 0,30 соответственно). Скорость сканирования лазерным пучком варьировалась в пределах 5÷100 мкм/с.Использование достаточного большой энергии импульсов неизбежно приводит к формированию областей с повышенным внутренним напряжением, что в свою очередь пагубно сказывается на однородности волновода. Аналогичный результат описан авторами в патенте US 7568365 В2. Волноводы с увеличенным показателем в сердцевине относительно периферии формировались в боросиликатном стекле.Recent advances in the field of micromodification of the structure of transparent dielectrics by ultrashort laser pulses increase the relevance of studying direct laser recording of channel waveguides and other integrated optical components. There are three main types of waveguides, depending on the change in refractive index caused by laser action on the material. Type I waveguides are based on laser-induced refractive index enhancement, and their core can be directly written with a laser beam. In US Pat. No. 6,977,137 B2, modes of laser modification of the silicate glass structure with additions of B ₂ O ₃ and GeO ₂ oxides were selected. A channel with an increased refractive index was formed in the bulk of the samples by laser pulses generated by a titanium-sapphire laser with a radiation wavelength of 830 nm, an energy of 0.1–10 μJ, a pulse duration of 18 fs, and a repetition rate of 1–250 kHz. The laser beam was focused into the sample volume using 5x and 20x objectives (NA = 0.15 and 0.30, respectively). The scanning speed of the laser beam was varied within 5–100 μm/s. The use of sufficiently high pulse energy inevitably leads to the formation of regions with increased internal stress, which in turn adversely affects the waveguide uniformity. A similar result is described by the authors in US Pat. No. 7,568,365 B2. Waveguides with an increased index in the core relative to the periphery were formed in borosilicate glass.

Общим недостатком методики фемтосекундного формирования сердцевины волновода является то, что модифицируется именно та область, по которой должен двигаться световой пучок. Данный подход приводит к изменению свойств материала, которое может быть неоднородным по длине трека. Кроме того, размеры волноводной моды ограничены размерами области перетяжки записывающего пучка.A general disadvantage of the method of femtosecond formation of the waveguide core is that it is the region over which the light beam should move that is modified. This approach leads to a change in the properties of the material, which may be inhomogeneous along the length of the track. In addition, the size of the waveguide mode is limited by the size of the waist region of the recording beam.

Более перспективным с точки зрения однородности является создание волноводов типов II и III, где путем локального модифицирования свойств материала формируется оболочка будущего световедущего канала, а сердцевиной служит немодифицированный материал. Данный подход требует отрицательного изменения показателя преломления при его локальном модифицировании. Известна работа, в которой формирование волноводов в ситаллах MgO-Al₂O₃-SiO₂ системы, допированных ионами Cr⁴⁺, проводилось при помощи ионного обмена [US 7315683 В2]. Образцы магниевоалюмосиликатных ситаллов погружали в 1 моль % раствор Ag/KNO₃ на 30 минут при 450°С, что приводило к диффузии ионов Ag⁺ и K⁺ в поверхностные слои, которые в свою очередь обеднялись катионами Na⁺. Ионный обмен обеспечивает изменение показателя преломления от поверхности до 60 мкм в глубину образца на величину An = -0,044. При этом волноводом является сам образец, с потерями на распространение света 0,6 дБ/см. Недостатком данной методики является невозможность создания сложных волноводных архитектур в объеме образца ситалла.More promising from the point of view of homogeneity is the creation of waveguides of types II and III, where, by local modification of the material properties, the shell of the future light-guiding channel is formed, and the unmodified material serves as the core. This approach requires a negative change in the refractive index during its local modification. Known work, in which the formation of waveguides in glass-ceramic MgO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ systems doped with Cr ⁴⁺ ions, was carried out using ion exchange [US 7315683 B2]. Samples of magnesium aluminosilicate glass-ceramics were immersed in a 1 mol % Ag/KNO ₃ solution for 30 minutes at 450°С, which led to the diffusion of Ag ⁺ and K ⁺ ions into the surface layers, which, in turn, became depleted in Na ⁺ cations. Ion exchange provides a change in the refractive index from the surface to 60 μm in the depth of the sample by An = -0.044. In this case, the waveguide is the sample itself, with a loss for light propagation of 0.6 dB/cm. The disadvantage of this technique is the impossibility of creating complex waveguide architectures in the volume of a glass-ceramic sample.

Более перспективным с точки зрения создания интегральных оптических схем является запись световедущих микроканалов в объеме материала сфокусированным лазерным излучением. В патенте US 7132223 В2 описан способ записи канальных волноводов лазерным пучком в объеме кварцевого стекла и кристалла CaF₂. Суть методики заключается в перемещении фокуса пучка титан-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм, длительностью импульса 20÷50 фс, энергией 0,1÷20 мДж, частотой следования импульсов в кГц диапазоне по винтовой траектории со скоростью до 100 мкм/с и шагом 5 мкм/с, оставляя при этом нетронутой сердцевину будущего световедущего канала. Данный подход позволяет формировать вокруг не модифицированной сердцевины оболочку с пониженным показателем преломления. Снижение показателя преломления под действием лазерных импульсов обусловлено формированием микропустот в структуре материала. При этом диаметр сердцевины составляет 7÷10 мкм. Формирование микропустот снижает плотность оболочки и как следствие приводит к уменьшению показателя преломления. Недостатком описанной методики является необходимость проведения последующей термообработки образца, что нивелирует возникающий эффект светорассеяния от массива созданных в оболочке микропустот.More promising from the point of view of creating integrated optical circuits is the recording of light-guiding microchannels in the volume of a material by focused laser radiation. US Pat. No. 7,132,223 B2 describes a method for recording channel waveguides with a laser beam in a volume of quartz glass and a CaF ₂ crystal. The essence of the technique is to move the beam focus of a titanium-sapphire laser with a wavelength of 800 nm, a pulse duration of 20–50 fs, an energy of 0.1–20 mJ, a pulse repetition rate in the kHz range along a helical trajectory at a speed of up to 100 μm/s and a step 5 µm/s, while leaving the core of the future light guide channel intact. This approach makes it possible to form a cladding with a reduced refractive index around the unmodified core. The decrease in the refractive index under the action of laser pulses is due to the formation of microvoids in the structure of the material. In this case, the core diameter is 7÷10 µm. The formation of microvoids reduces the density of the shell and, as a consequence, leads to a decrease in the refractive index. The disadvantage of the described technique is the need for subsequent heat treatment of the sample, which eliminates the emerging effect of light scattering from an array of microvoids created in the shell.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования волноводов с модифицированной оболочкой, заявленный в патенте WO 2005/040874 А2 «LASER INSCRIPTION OF STRUCTURES IN CRYSTALS)), который выбран в качестве прототипа. В нем заявлен метод лазерной записи оболочки волноводов с пониженным показателем преломления относительно сердцевины в кристалле иттрий-алюминиевого граната (YAG), легированного ионами неодима. Описанный результат достигается посредством обработки образца фемтосекундным лазерным излучением на длине волны 800 нм, с длительностью импульсов 120 фс, частотой следования 1 кГц и энергией 0,5 мДж. Фокусировка лазерного пучка производилась при помощи объектива с числовой апертурой, равной 0,65. Скорость сканирования лазерным пучком варьировалась в пределах 50÷500 мкм/с.Формируемая оболочка представляет собой набор параллельных треков, записанных на разной глубине фокусировки, что в конечном итоге приводит к созданию волновода с круглым поперечным сечением.The closest analogue to the claimed invention in terms of technical essence and the achieved result is a method for forming waveguides with a modified shell, claimed in patent WO 2005/040874 A2 "LASER INSCRIPTION OF STRUCTURES IN CRYSTALS)), which is selected as a prototype. It claims a method for laser writing the cladding of waveguides with a reduced refractive index relative to the core in a neodymium-doped yttrium-aluminum garnet (YAG) crystal. The described result is achieved by processing the sample with femtosecond laser radiation at a wavelength of 800 nm, with a pulse duration of 120 fs, a repetition rate of 1 kHz and an energy of 0.5 mJ. The laser beam was focused using an objective with a numerical aperture of 0.65. The scanning speed of the laser beam was varied within 50÷500 μm/s. The formed shell is a set of parallel tracks recorded at different focusing depths, which ultimately leads to the creation of a waveguide with a circular cross section.

Недостатком данного способа являются большие энергии, необходимые для фемтосекундной модификации кристаллической фазы. При этом к настоящему времени не выяснена возможность применимости данного подхода к записи волноводов в объеме стеклокристаллических материалов.The disadvantage of this method is the high energy required for the femtosecond modification of the crystalline phase. At the same time, the possibility of applicability of this approach to the recording of waveguides in the volume of glass-ceramic materials has not yet been clarified.

Предлагаемое изобретение решает задачи записи в прозрачных стеклокристаллических материалах интегральных волноводов с пониженным показателем преломления в модифицированной оболочке.The present invention solves the problem of recording integrated waveguides with a reduced refractive index in a modified shell in transparent glass-ceramic materials.

Техническим результатом изобретения является лазерная запись цилиндрической оболочки волновода с пониженным показателем преломления в объеме прозрачной стеклокристаллической матрицы.The technical result of the invention is the laser recording of a cylindrical shell of a waveguide with a reduced refractive index in the volume of a transparent glass-ceramic matrix.

Указанный технический результат достигается способом записи интегральных волноводов, основанном на изменении показателя преломления прозрачного диэлектрика, включающим фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрика, движение сфокусированного пучка по заданной траектории и последовательную запись нескольких параллельных треков, ограничивающих область из немодифицированного материала, при этом в качестве прозрачного диэлектрика используют литиевоалюмосиликатный ситалл, а фемтосекундный лазер генерирует импульсы на длине волны 1030 нм, длительностью 180÷600 фс, с частотой следования 1÷100 кГц, энергией 200÷1000 нДж при перемещении сфокусированного лазерного пучка объективом с числовой апертурой 0,45÷0,65 со скоростью 200÷1000 мкм/с, с шагом между треками, формирующими цилиндрическую оболочку волновода, 3÷5 мкм.The specified technical result is achieved by the method of recording integral waveguides based on a change in the refractive index of a transparent dielectric, including focusing femtosecond laser pulses into the volume of the dielectric, moving the focused beam along a given trajectory and successively recording several parallel tracks that limit the area of unmodified material, while as a transparent a lithium aluminosilicate sitall is used as a dielectric, and a femtosecond laser generates pulses at a wavelength of 1030 nm, a duration of 180÷600 fs, with a repetition rate of 1÷100 kHz, an energy of 200÷1000 nJ when a focused laser beam is moved by an objective with a numerical aperture of 0.45÷0, 65 at a speed of 200÷1000 µm/s, with a step between the tracks forming the cylindrical shell of the waveguide, 3÷5 µm.

В заявляемой работе применен метод фемтосекундной локальной лазерной аморфизации для записи оболочки волноводов в литиевоалюмосиликатных (ЛАС) ситаллах с близким к нулю температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР). Метод основан на том, что пространственно-селективный нагрев сфокусированным фемтосекундным лазерным пучком может вызывать частичную или полную аморфизацию кристаллических микроструктур, что приводит к локальному изменению показателя преломления ситалла.In the claimed work, the method of femtosecond local laser amorphization is used to record the shell of waveguides in lithium aluminosilicate (LAS) glass-ceramics with a temperature coefficient of linear expansion (TCLE) close to zero. The method is based on the fact that spatially selective heating by a focused femtosecond laser beam can cause partial or complete amorphization of crystalline microstructures, which leads to a local change in the glass-ceramic refractive index.

Для записи оболочки волноводов использовалась установка на основе фемтосекундного лазера Pharos SP (Light Conversion Ltd), излучающего импульсы длительностью 18÷600 фс на длине волны 1030 нм. Лазерное модифицирование образцов ситаллов проводилось с частотой следования импульсов 1÷100 кГц, обеспечивающей атермический характер лазерного воздействия. Энергия лазерных импульсов варьировалась в пределах 200÷1000 нДж. Образец устанавливался на 3-осевом моторизированном высокоточном столике на пневмоприводе ABL1000, Aerotech. Серия параллельных треков, образующих аморфизированную цилиндрическую оболочку, была записана путем перемещения образца перпендикулярно направлению распространения сфокусированного лазерного луча со скоростью 200÷1000 мкм/с. Лазерный луч фокусировался при помощи объективов Olympus LCPLN20XIR (увеличение 20х, числовая апертура 0,45) и Olympus LCPLN50XIR (увеличение 50х, числовая апертура 0,65) с изменением глубины фокусировки от прохода к проходу, что позволяло формировать сердцевину волновода с практически круглым поперечным сечением, центрированным на глубине 150 мкм под поверхностью образца внутри оболочки (волновод III типа). Глубина записи волновода ограничена со стороны малых значений высотой поперечного сечения треков в верхней части оболочки, которое должно полностью находиться в объеме образца, а со стороны больших значений - рабочим расстоянием объектива и его возможностями по компенсации сферических аберраций, которые, как правило, корректируются в определенном диапазоне глубин фокусировки, зависящем от модели объектива. Для формирования сердцевины волновода с повышенным относительно оболочки показателем преломления, центрированным на определенной глубине под поверхностью образца, лазером записывается ряд параллельных треков на различной глубине фокусировки и расстоянии между соседними треками 3÷5 мкм, вместе формирующих область пониженного показателя преломления цилиндрической формы и расположенных таким образом, что поперечное сечение немодифицированного ситалла внутри этой области имеет форму круга диаметром 12÷24 мкм. После того как оболочка была записана, грани образца ситалла отполировывались таким образом, что оба конца волновода выводились на поверхность. Общая длина образца с изготовленными волноводами составила 17,3 мм.To record the waveguide cladding, we used a device based on a Pharos SP femtosecond laser (Light Conversion Ltd), emitting pulses with a duration of 18–600 fs at a wavelength of 1030 nm. Laser modification of glass-ceramic samples was carried out with a pulse repetition rate of 1÷100 kHz, which ensures the athermal nature of the laser action. The energy of laser pulses varied within 200–1000 nJ. The sample was mounted on a 3-axis motorized high-precision stage on an ABL1000 pneumatic drive, Aerotech. A series of parallel tracks forming an amorphous cylindrical shell was recorded by moving the sample perpendicular to the direction of propagation of a focused laser beam at a speed of 200÷1000 µm/s. The laser beam was focused using Olympus LCPLN20XIR objectives (20x magnification, NA 0.45) and Olympus LCPLN50XIR (50x magnification, NA 0.65) with varying the focusing depth from passage to passage, which made it possible to form a waveguide core with an almost circular cross section centered at a depth of 150 µm under the surface of the sample inside the shell (type III waveguide). The recording depth of the waveguide is limited on the side of small values by the height of the cross section of the tracks in the upper part of the shell, which must be completely in the volume of the sample, and on the side of large values - by the working distance of the objective and its ability to compensate for spherical aberrations, which, as a rule, are corrected in a certain range of focus depths depending on lens model. To form a waveguide core with an increased refractive index relative to the shell, centered at a certain depth under the sample surface, a number of parallel tracks are recorded by the laser at different focusing depths and distances between adjacent tracks of 3–5 μm, which together form a region of reduced refractive index of a cylindrical shape and are arranged in this way that the cross section of the unmodified glass-ceramic inside this region has the shape of a circle with a diameter of 12÷24 microns. After the shell was recorded, the faces of the glass-ceramic sample were polished in such a way that both ends of the waveguide were brought to the surface. The total length of the sample with the fabricated waveguides was 17.3 mm.

Методом количественной фазовой микроскопии оценивалось изменение показателя преломления на длине волны 1045 нм в отдельных записанных лазером треках. Измерения проводились на оптическом моторизованном микроскопе Olympus ВХ61, оснащенном монохромной 14-битной ПЗС-камерой Retiga 3000 и объективом Olympus UPlanFL 10х (N.A. = 0,3).Quantitative phase microscopy was used to evaluate the change in the refractive index at a wavelength of 1045 nm in individual tracks recorded by the laser. The measurements were carried out on an Olympus BX61 optical motorized microscope equipped with a Retiga 3000 monochrome 14-bit CCD camera and an Olympus UPlanFL 10x objective (N.A. = 0.3).

Оценка оптических характеристик записанных волноводов проводилась на длине волны 1064 нм с использованием одномодового непрерывного лазера Nd:YAG. Прошедшее через волновод излучение собиралось объективом Olympus LCPLN IR 10х, который формировал профиль ближнего поля на CCD-камере Ophir Spiricon SP620U. Потери на распространение света в волноводах оценивали путем измерения оптического пропускания установки с образцом и без него с учетом потерь Френеля.The optical characteristics of the recorded waveguides were evaluated at a wavelength of 1064 nm using a single-mode cw Nd:YAG laser. The radiation transmitted through the waveguide was collected by an Olympus LCPLN IR 10x objective, which formed the near field profile on an Ophir Spiricon SP620U CCD camera. The losses due to light propagation in the waveguides were estimated by measuring the optical transmission of the setup with and without the sample, taking into account Fresnel losses.

В качестве прозрачной стеклокристаллической матрицы используют ЛАС ситаллы, полученные путем двухстадийной термообработки стекла Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ системы в электрической печи, содержащие нанокристаллы β-эвкриптитоподобных твердых растворов, со значениями ТКЛР α=-5,0÷+1,8⋅10^-7⋅K^-1 в диапазоне температур -80÷200°С. Методика их синтеза и режимы ситаллизации подробно описаны в патенте RU 2569703 С1.As a transparent glass-ceramic matrix, LAS sitalls are used, obtained by two-stage heat treatment of glass Li ₂ O-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ systems in an electric furnace, containing nanocrystals of β-eucryptite-like solid solutions, with TCLE values α=-5.0÷+1 ,8⋅10 ^-7 ⋅K ^-1 in the temperature range -80÷200°С. The procedure for their synthesis and sitallization modes are described in detail in patent RU 2569703 C1.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.The achievement of the claimed technical result is confirmed by the following examples.

Пример 1. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР -1,5⋅10^-7⋅K^-1. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 250 фс, частотой следования 1 кГц, энергией импульсов 300 нДж была сформирована аморфная оболочка волновода, состоящая из 20 треков, окружающих не модифицированную сердцевину диаметром 18 мкм. Расстояние между отдельными треками в формируемой оболочке составляло 3 мкм. Для фокусировки лазерного пучка использовали объектив с увеличением 5Ох и числовой апертурой 0,65. Лазерная обработка с указанными параметрами излучения приводила к формированию в образце ситалла на глубине 150 мкм относительно поверхности аморфной цилиндрической оболочки с показателем преломления ниже, чем в немодифицированной области. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как одномодовый с потерями на распространение света 2,4 дБ/с.Example 1. Femtosecond laser radiation recorded a waveguide in a transparent LAS glass-ceramic sample 20×20×2 mm in size with a TCLE value of -1.5⋅10 ^-7 ⋅K ^-1 . Focused laser radiation at a wavelength of 1030 nm, with a pulse duration of 250 fs, a repetition rate of 1 kHz, and a pulse energy of 300 nJ formed an amorphous shell of the waveguide, consisting of 20 tracks surrounding an unmodified core 18 μm in diameter. The distance between individual tracks in the formed shell was 3 μm. To focus the laser beam, a lens with a magnification of 50x and a numerical aperture of 0.65 was used. Laser processing with the indicated radiation parameters led to the formation in the ceramic glass sample at a depth of 150 μm relative to the surface of an amorphous cylindrical shell with a refractive index lower than in the unmodified region. The change in the refractive index was Δn=-0.005. The formed waveguide is characterized as single-mode with a light propagation loss of 2.4 dB/s.

Пример 2. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце ситалла, указанном в примере 1. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 300 фс, частотой следования 50 кГц, энергией импульсов 500 нДж был сформирован канальный волновод с аморфной оболочкой, окружающей не модифицированную сердцевину, центрированной на глубине 150 мкм относительно поверхности образца. Волновод с диаметром сердцевины 18 мкм, как и в примере 1, состоял из серии 20 параллельных треков, с расстоянием между каждым 3 мкм. Для фокусировки лазерного пучка использовали объектив с увеличением 20х и числовой апертурой 0,40. Записанная оболочка обладает пониженным показателем преломления, относительно не модифицированной сердцевины. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как одномодовый с потерями на распространение света 3,5 дБ/с.Example 2. Femtosecond laser radiation recorded a waveguide in a ceramic glass sample indicated in Example 1. A channel waveguide with an amorphous shell surrounding unmodified core centered at a depth of 150 µm relative to the sample surface. The waveguide with a core diameter of 18 µm, as in example 1, consisted of a series of 20 parallel tracks, with a distance between each 3 µm. To focus the laser beam, a lens with a magnification of 20x and a numerical aperture of 0.40 was used. The recorded cladding has a reduced refractive index relative to the unmodified core. The change in the refractive index was Δn=-0.005. The formed waveguide is characterized as single-mode with a light propagation loss of 3.5 dB/s.

Пример 3. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР -5,0⋅10^-7⋅K^-1. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 180 фс, частотой следования 10 кГц, энергией импульсов 200 нДж была сформирована аморфная оболочка волновода, состоящая из 16 параллельных треков, окружающих не модифицированную сердцевину диаметром 12 мкм и центрированной на глубине 150 мкм относительно поверхности образца. Расстояние между отдельными треками в формируемой оболочке составляло 3 мкм. Аморфная оболочка обладает пониженным показателем преломления, относительно не модифицированной сердцевины волновода. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как одномодовый с потерями на распространение света 2,7 дБ/с.Example 3. Femtosecond laser radiation recorded a waveguide in a transparent LAS glass-ceramic sample 20×20×2 mm in size with a TCLE value of -5.0⋅10 ^-7 ⋅K ^-1 . Focused laser radiation at a wavelength of 1030 nm, with a pulse duration of 180 fs, a repetition rate of 10 kHz, and a pulse energy of 200 nJ formed an amorphous shell of the waveguide, consisting of 16 parallel tracks surrounding an unmodified core 12 μm in diameter and centered at a depth of 150 μm relative to sample surface. The distance between individual tracks in the formed shell was 3 μm. The amorphous cladding has a reduced refractive index relative to the unmodified waveguide core. The change in the refractive index was Δn=-0.005. The formed waveguide is characterized as single-mode with a light propagation loss of 2.7 dB/s.

Пример 4. Фемтосекундным лазерным излучением записан волновод в образце прозрачного ЛАС ситалла размером 20×20×2 мм со значением ТКЛР +1,8⋅10^-7⋅K^-1. Сфокусированным лазерным излучением на длине волны 1030 нм, с длительностью импульсов 600 фс, частотой следования 100 кГц, энергией импульсов 1000 нДж была сформирована аморфная оболочка волновода, состоящая из 24 параллельных треков, окружающих не модифицированную сердцевину диаметром 24 мкм, и центрированная на глубине 150 мкм относительно поверхности образца. Расстояние между отдельными треками в формируемой оболочке составляло 5 мкм. Аморфная оболочка обладает пониженным показателем преломления, относительно не модифицированной сердцевины волновода. Изменение показателя преломления составило Δn=-0,005. Сформированный волновод характеризуется как многомодовый со сравнительно высокими потерями на распространение света, превышающими 5 дБ/с.Example 4. Femtosecond laser radiation recorded a waveguide in a transparent LAS glass-ceramic sample 20×20×2 mm in size with a TCLE value of +1.8⋅10 ^-7 ⋅K ^-1 . Focused laser radiation at a wavelength of 1030 nm, with a pulse duration of 600 fs, a repetition rate of 100 kHz, and a pulse energy of 1000 nJ formed an amorphous shell of the waveguide, consisting of 24 parallel tracks surrounding an unmodified core 24 μm in diameter and centered at a depth of 150 μm relative to the surface of the sample. The distance between individual tracks in the formed shell was 5 µm. The amorphous cladding has a reduced refractive index relative to the unmodified waveguide core. The change in the refractive index was Δn=-0.005. The formed waveguide is characterized as multimode with relatively high losses for light propagation, exceeding 5 dB/s.

Заявляемые пределы изменения параметров фемтосекундного лазерного излучения позволяют производить запись интегральных волноводов в объеме прозрачных ситаллов ЛАС системы с околонулевым значением ТКЛР, а варьирование геометрических размеров формируемой аморфной оболочки, окружающей не модифицированную сердцевину волновода, позволяет получать необходимые модовые характеристики и значения потерь на распространение света. Верхние и нижние границы указанных пределов параметров лазерной записи оболочки волноводов обусловлены возникновением различного рода дефектов, таких как: появление трещин, окружающих волновод, отсутствие четких границ немодифицированная сердцевина - оболочка, указывающее на незначительное изменение показателя преломления, прерывистость волноводной структуры на некоторых ее участках.The claimed limits of change in the parameters of femtosecond laser radiation make it possible to record integral waveguides in the volume of transparent glass-ceramics of the LAS system with a near-zero TCLE value, and varying the geometric dimensions of the formed amorphous shell surrounding the unmodified core of the waveguide makes it possible to obtain the necessary modal characteristics and values of losses for light propagation. The upper and lower limits of the indicated limits of the parameters of laser writing of the waveguide cladding are due to the appearance of various kinds of defects, such as: the appearance of cracks surrounding the waveguide, the absence of clear boundaries, the unmodified core - the cladding, indicating a slight change in the refractive index, discontinuity of the waveguide structure in some of its sections.

Claims

A method for laser recording of integral waveguides based on a change in the refractive index of a transparent dielectric, including focusing femtosecond laser pulses into the bulk of the dielectric, moving the focused beam along a given trajectory, and successively recording several parallel tracks that limit an area of unmodified material, characterized in that as a transparent dielectric lithium aluminosilicate glass-ceramic is used, and the femtosecond laser generates pulses at a wavelength of 1030 nm, duration 180÷600 fs, repetition rate 1÷100 kHz, energy 200÷1000 nJ when moving a focused laser beam by an objective with a numerical aperture of 0.45÷0.65 at a speed of 200÷1000 µm/s, with a step between the tracks forming the cylindrical shell of the waveguide, 3÷5 µm.