RU2150135C1 - Method for manufacturing of single-mode light guide channel in transparent dielectric by means of modulation of dielectric structure - Google Patents

Abstract

FIELD: optical amplifiers or optical generators for fiber-optical communication and for manufacturing of three-dimensional memory units. SUBSTANCE: method involves focusing of input beam into selected dielectric region using axial cone. Pulse energy conforms to condition that beam intensity along axis of axial cone, i.e. along its focus, is greater than threshold intensity value for ionization of dielectric under processing. EFFECT: possibility to produce one light guide channel for one laser pulse, simplified manufacturing procedure. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике изготовления световодов типа оптического волновода, а именно светопроводящих каналов, и может быть использовано для создания оптических усилителей и/или оптических генераторов, которые применяются в волоконно-оптической связи, а также может быть использовано для изготовления элементов трехмерной памяти. The invention relates to techniques for manufacturing optical waveguides such as an optical waveguide, namely light-conducting channels, and can be used to create optical amplifiers and / or optical generators that are used in fiber-optic communication, and can also be used for the manufacture of three-dimensional memory elements.

В технике волоконно-оптической связи в настоящее время существует проблема создания оптических усилителей и оптических генераторов в интегрально-оптическом исполнении, содержащих массивную подложку, внутри которой сформирован одномодовый светопроводящий канал. Светопроводящий канал изготавливают путем изменения, а именно, увеличения тем или иным способом показателя преломления материала в месте предполагаемого формирования канала по сравнению с величиной показателя преломления окружающего материала. В частности, в германосиликатном стекле изменение показателя преломления осуществляют за счет воздействия на стекло лазерным излучением УФ диапазона с длиной волны от 275 нм до 390 нм (патент РФ N 2097803, М.кл.⁶ G 02 В 6/124, опубл. 1997 г.).In the technology of fiber-optic communication, there is currently a problem of creating optical amplifiers and optical generators in integrated optical design containing a massive substrate, inside of which a single-mode light guide channel is formed. The light guide channel is made by changing, namely, increasing in one way or another the refractive index of the material at the site of the proposed channel formation compared to the refractive index of the surrounding material. In particular, in germanosilicate glass, a change in the refractive index is carried out by exposing the glass to laser radiation in the UV range with a wavelength from 275 nm to 390 nm (RF patent N 2097803, Mcl ⁶ G 02 B 6/124, publ. 1997 g .).

Известен способ изготовления одномодового светопроводящего канала в лазерно активной среде, например в массивной подложке из фторированного стекла с примесью празеодима, позволяющий получить изменение показателя преломления материала в канале по сравнению с показателем преломления подложки в пределах от 4 • 10^-3 до 8 • 10^-2 (патент Франции N 2675592, М.кл.⁵ G 02 В 6/12, опубл. 1992 г.). В этом способе одномодовый светопроводящий канал формируют вблизи поверхности подложки локальной диффузией свинца, например путем бомбардировки ионами свинца поверхности подложки через соответствующую маску. После этого, для уменьшения потерь оптического излучения в канале, поверхность подложки, содержащую канал, покрывают слоем из того же фторированного стекла. Затем осуществляют дополнительное покрытие эпоксидной смолой. Недостатки этого способа связаны с тем, что он является длительным, сложным и дорогостоящим.A known method of manufacturing a single-mode light guide channel in a laser active medium, for example, in a massive substrate of fluorinated glass with an admixture of praseodymium, allows to obtain a change in the refractive index of the material in the channel compared to the refractive index of the substrate in the range from 4 · 10 ^-3 to 8 · 10 ^-2 (French patent N 2675592, M.C. ⁵ G 02 B 6/12, publ. 1992). In this method, a single-mode light guide channel is formed near the surface of the substrate by local diffusion of lead, for example, by bombardment by lead ions of the surface of the substrate through an appropriate mask. After that, to reduce the loss of optical radiation in the channel, the surface of the substrate containing the channel is covered with a layer of the same fluorinated glass. Then carry out additional coating with epoxy resin. The disadvantages of this method are related to the fact that it is long, complex and expensive.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике путем модификации структуры диэлектрика с помощью излучения фемтосекундного лазера (K. Miura et al. "Photowritten optical waveguides in various glasses with ultrashort pulse laser", Appl. Phys. Lett. v. 71, N 23, p. 3329-3331, 1997), который выбран в качестве прототипа. Способ прототип включает в себя формирование воздействующего излучения в виде последовательности импульсов с длительностью отдельного импульса 120 фс (фемтосекунд), энергией в импульсе порядка 5 мкДж и частотой повторения импульсов 200 кГц, фокусировку этого излучения с помощью короткофокусной линзы в начало выбранной области внутри диэлектрического образца и прецизионное перемещение образца относительно зоны фокусировки в направлении оси лазерного луча. Способ прототип позволяет изготавливать одномодовый светопроводящий канал длиной от 40 мкм до нескольких миллиметров при диаметре канала (8 - 10) мкм. При этом формирование светопроводящего канала осуществляют в режиме "от точки к точке", прецизионно перемещая образец относительно точки обработки (зоны фокуса короткофокусной линзы). Модификация структуры прозрачного диэлектрика в обрабатываемой точке с диаметром (8 - 10) мкм происходит в данном способе за счет многофотонных процессов, для осуществления которых в каждую обрабатываемую точку направляют порядка 12000 фемтосекундных импульсов. При указанной скорости прецизионного перемещения 20 мкм/с для изготовления канала длиной 10 мм требуется время порядка 10 мин и количество импульсов порядка 10⁸. Причем для воспроизводимости результатов все эти импульсы должны быть эквидистантны и стабильны по длительности и по энергии, что само по себе является не простой технической задачей. Кроме того, к недостаткам прототипа относится ограничение длины (продольного размера) изготавливаемого канала, т.к. только короткофокусная линза (с фокусным расстоянием < 1 см) обеспечивает в прототипе требуемый поперечный размер (8 -10) мкм зоны обработки и соответственно требуемый поперечный размер канала. Выбор линзы с большим фокусным расстоянием хотя и может обеспечить больший продольный размер канала, но приведет к увеличению его поперечного размера, что не позволит изготовить одномодовый светопроводящий канал. Необходимость непрерывного прецизионного перемещения образца относительно зоны обработки и выбор определенной скорости его перемещения также вносят определенные трудности в реализацию способа прототипа.The closest analogue to the claimed invention is a method of manufacturing a single-mode light guide channel in a transparent dielectric by modifying the structure of the dielectric using the radiation of a femtosecond laser (K. Miura et al. "Photowritten optical waveguides in various glasses with ultrashort pulse laser", Appl. Phys. Lett. v. 71, N 23, p. 3329-3331, 1997), which is selected as a prototype. The prototype method includes the formation of the acting radiation in the form of a sequence of pulses with a single pulse duration of 120 fs (femtoseconds), an energy per pulse of the order of 5 μJ and a pulse repetition rate of 200 kHz, focusing this radiation with a short focus lens to the beginning of the selected area inside the dielectric sample and precise movement of the sample relative to the focusing zone in the direction of the axis of the laser beam. The prototype method allows to produce a single-mode light guide channel with a length of from 40 microns to several millimeters with a channel diameter of (8 - 10) microns. In this case, the formation of the light guide channel is carried out in the "point to point" mode, moving the sample with precision relative to the processing point (focus area of the short-focus lens). The structure of a transparent dielectric at a processing point with a diameter of (8 - 10) μm is modified in this method due to multiphoton processes, for which about 12,000 femtosecond pulses are sent to each processing point. At the indicated speed of precision displacement of 20 μm / s, the production of a channel 10 mm long requires a time of the order of 10 min and a number of pulses of the order of 10 ⁸ . Moreover, for reproducible results, all these pulses must be equidistant and stable in duration and energy, which in itself is not a simple technical task. In addition, the disadvantages of the prototype include the limitation of the length (longitudinal size) of the manufactured channel, because only a short-focus lens (with a focal length <1 cm) provides in the prototype the required transverse size (8 -10) microns of the treatment area and, accordingly, the required transverse size of the channel. The choice of a lens with a large focal length, although it can provide a larger longitudinal size of the channel, will lead to an increase in its transverse size, which will not allow the manufacture of a single-mode light guide channel. The need for continuous precision movement of the sample relative to the processing zone and the choice of a certain speed of its movement also introduce certain difficulties in the implementation of the prototype method.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике, позволяющего формировать упомянутый канал за один импульс излучения фемтосекундного лазера. Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике, так же как и способ прототип, включает в себя формирование воздействующего излучения фемтосекундного лазера и фокусировку этого излучения на выбранную область в диэлектрическом образце. The problem to which the present invention is directed, is to develop a method for manufacturing a single-mode light guide channel in a transparent dielectric, which allows to form the said channel in a single pulse of a femtosecond laser. The technical result in the developed method is achieved by the fact that the developed method for manufacturing a single-mode light-conducting channel in a transparent dielectric, as well as the prototype method, includes the formation of the acting radiation of a femtosecond laser and focusing this radiation on a selected area in the dielectric sample.

Новым в разработанном способе является то, что для изготовления одного светопроводящего канала используют излучение одиночного импульса, которое фокусируют в выбранную область диэлектрика с помощью аксикона, при этом энергию импульса выбирают такой, чтобы интенсивность излучения J₀ вдоль оси аксикона (вдоль его фокуса) превышала пороговую интенсивность ионизации J_пор. обрабатываемого диэлектрика.New in the developed method is that for the manufacture of one light-conducting channel, single-pulse radiation is used, which is focused into the selected dielectric region using the axicon, while the pulse energy is chosen so that the radiation intensity J ₀ along the axis of the axicon (along its focus) exceeds the threshold ionization intensity J _pore. processed dielectric.

В частном случае при изготовлении нескольких светопроводящих каналов в одном диэлектрическом образце для изготовления любого (n + 1)-го светопроводящего канала (где n = 1, 2, 3...), осуществляют или n параллельных перемещений образца в направлении, перпендикулярном оси аксикона, или n угловых перемещений образца вокруг оси, параллельной оси аксикона. In the particular case of the manufacture of several light guide channels in one dielectric sample for the manufacture of any (n + 1) th light guide channel (where n = 1, 2, 3 ...), either n parallel movements of the sample in the direction perpendicular to the axicon axis are performed , or n angular displacements of the sample around an axis parallel to the axis of the axicon.

Технический результат - создание одного светопроводящего канала с помощью излучения одного фемтосекундного импульса достигается в разработанном способе за счет того, что в выбранной области диэлектрика в течение длительности одного импульса создают условия для образования плазмы, которая в свою очередь обеспечивает поглощение излучения и, как следствие, модификацию структуры вещества в выбранной области. EFFECT: creation of one light-conducting channel using radiation of one femtosecond pulse is achieved in the developed method due to the fact that in the selected dielectric region during the duration of one pulse conditions are created for the formation of plasma, which in turn provides absorption of radiation and, as a result, modification the structure of the substance in the selected area.

Влияние указанных в формуле изобретения существенных признаков на достижение указанного технического результата можно пояснить следующим образом. The effect of the essential features indicated in the claims on the achievement of the indicated technical result can be explained as follows.

Аксиконная линза (аксикон) фокусирует падающий на нее пучок излучения в нить, вытянутую вдоль ее оси. Авторы показали, что в силу такой геометрии аксиконной фокусировки, используя излучение лишь одного импульса фемтосекундного лазера с энергией импульса порядка нескольких миллиджоулей (мДж), можно создавать внутри прозрачного диэлектрика интенсивность излучения J > 10¹⁴ Вт/см², т.е. превышающую пороговую интенсивность ионизации J_пор. диэлектрика. При такой высокой интенсивности излучения ионизация диэлектрика, т. е. образование плазмы, происходит уже на переднем фронте лазерного импульса. Остальная часть энергии импульса поглощается этой образовавшейся вдоль линии фокусировки плазмой. В результате чего происходит очень быстрый, сильный нагрев (до 10⁶ К) области фокусировки, занятой плазмой, и, следовательно, здесь развивается огромное давление (порядка 10⁸ Бар). В этих экстремальных условиях температуры и давления после прохождения импульса происходит модификация структуры вещества диэлектрика (что подтверждено экспериментально). Вследствие чего вдоль линии фокусировки аксикона образуется светопроводящий канал с измененным показателем преломления. Продольный и поперечный размеры канала определяются геометрией фокусировки (углом при вершине аксикона), энергией импульса и параметрами материала диэлектрика. В зависимости от материала образца и энергии импульса получены одномодовые светопроводящие каналы длиной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров с поперечным размером от 0,5 мкм до нескольких единиц микрон.An axicon lens (axicon) focuses the incident radiation beam into a thread elongated along its axis. The authors showed that due to this axicon focusing geometry, using radiation from only one pulse of a femtosecond laser with a pulse energy of the order of several millijoules (mJ), it is possible to create an radiation intensity J> 10 ¹⁴ W / cm ² inside a transparent dielectric, i.e. exceeding the threshold ionization intensity J _then. dielectric. At such a high radiation intensity, dielectric ionization, i.e., plasma formation, occurs already at the leading edge of the laser pulse. The rest of the pulse energy is absorbed by this plasma formed along the focus line. As a result, a very fast, strong heating (up to 10 ⁶ K) of the focusing area occupied by the plasma occurs, and, therefore, enormous pressure develops here (about 10 ⁸ Bar). Under these extreme conditions of temperature and pressure, after passing the pulse, the structure of the substance of the dielectric is modified (which is confirmed experimentally). As a result, a light guide channel with a modified refractive index is formed along the focus line of the axicon. The longitudinal and transverse dimensions of the channel are determined by the focusing geometry (angle at the apex of the axicon), pulse energy, and parameters of the dielectric material. Depending on the material of the sample and the pulse energy, single-mode light-conducting channels of a length from a few millimeters to several centimeters with a transverse size from 0.5 μm to several units of microns have been obtained.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего разработанный способ. In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the developed method.

На фиг. 2 представлена фотография одномодового светопроводящего канала в кварце, сделанная с помощью микроскопа. In FIG. 2 shows a photograph of a single-mode light guide channel in quartz, taken with a microscope.

Устройство на фиг. 1 содержит задающий фемтосекундный лазер 1, снабженный формирователем 2 воздействующих импульсов, аксикон 3 и установленный в области его фокуса обрабатываемый диэлектрический образец 4, в котором изготавливают светопроводящий канал 5. The device of FIG. 1 contains a master femtosecond laser 1, equipped with a shaper 2 of the acting pulses, an axicon 3 and a processed dielectric sample 4, in which a light guide channel 5 is made, located in the region of its focus.

В качестве задающего фемтосекундного лазера 1 может быть использован, например, серийно выпускаемый фирмой Spectra Physics (США) лазер "Tsunami". В качестве формирователя 2 воздействующих импульсов может быть использована общепринятая в настоящее время схема усиления фемтосекундных импульсов, известная по работе Strickland D., Mouron G. Opt. Commun. v. 56, p. 219, 1985. Аксикон 3 выполнен из однородного оптического стекла К-8. В примере конкретной реализации использован аксикон 3 с углом при вершине 140^o. Светопроводящий канал 5 или несколько параллельных каналов могут быть изготовлены разработанным способом в любом прозрачном диэлектрике 4, например кварце, флюорите, сапфире, алмазе, стекле и полимерных материалах. Для установки в зону фокуса аксикона 3 диэлектрический образец 4 должен быть выполнен в виде обработанной плоскопараллельной пластины. Изготовленные светопроводящие каналы 5 контролируются с помощью микроскопа (на чертеже не показан).As the master femtosecond laser 1, for example, the Tsunami laser, commercially available from Spectra Physics (USA), can be used. As a driver of 2 acting pulses, a currently used femtosecond pulse amplification circuit known from Strickland D., Mouron G. Opt. Commun. v. 56, p. 219, 1985. Axicon 3 is made of uniform optical glass K-8. In the example of a specific implementation, axicon 3 with an angle at apex of 140 ^{o is used} . The light guide channel 5 or several parallel channels can be manufactured by the developed method in any transparent dielectric 4, for example, quartz, fluorite, sapphire, diamond, glass and polymeric materials. For installation in the focus area of the axicon 3, the dielectric sample 4 should be made in the form of a processed plane-parallel plate. The fabricated light guide channels 5 are monitored using a microscope (not shown in the drawing).

Разработанный способ изготовления светопроводящих каналов реализуют следующим образом (см. фиг. 1). The developed method for manufacturing the light guide channels is implemented as follows (see Fig. 1).

Из излучения задающего фемтосекундного лазера 1, обеспечивающего стандартный режим генерации фемтосекундных импульсов с энергией 1 - 3 нДж и частотой следования 100 МГц, с помощью формирователя 2 формируют последовательность воздействующих импульсов с энергией в импульсе 5 мДж и частотой следования 10 Гц. Это излучение аксиконом 3 с углом при вершине 140^o фокусируют в выбранную область диэлектрического образца 4 из плавленного кварца, имеющего величину пороговой интенсивности ионизации J_пор. порядка 10¹⁴ Вт/см². Выбранная геометрия аксиконной линзы 3 и указанная энергия одиночного импульса обеспечивают интенсивность J₀ излучения вдоль оси аксикона (линии фокусировки) 5 • 10¹⁴ Вт/см², что обеспечивает процесс модификации структуры плавленного кварца в выбранной области образца 4 и формирование одномодового светопроводящего канала 5.From the radiation of the master femtosecond laser 1, which provides the standard mode for generating femtosecond pulses with an energy of 1 - 3 nJ and a repetition rate of 100 MHz, using a shaper 2, a sequence of acting pulses with an energy of 5 mJ per pulse and a repetition rate of 10 Hz is formed. This radiation by the axicon 3 with an apex angle of 140 ^{° is} focused into a selected region of the dielectric sample 4 of fused silica having a threshold ionization intensity J _pore. about 10 ¹⁴ W / cm ² . The selected geometry of the axicon lens 3 and the indicated energy of a single pulse provide the radiation intensity J ₀ along the axis of the axicon (focus line) 5 • 10 ¹⁴ W / cm ² , which provides the process of modifying the structure of fused silica in the selected region of sample 4 and the formation of a single-mode light guide channel 5.

Вид участка изготовленного одномодового светопроводящего канала 5, сфотографированный с помощью микроскопа, представлен на фиг. 2. Цена деления на масштабной линейке 6 составляет 10 мкм. Поперечный размер канала 5 равен 1,5 мкм, продольный размер приведенного на фотографии участка канала 5 равен 100 мкм. Полный продольный размер всего канала 5 равен толщине образца 4 (20 мм). A view of a portion of a fabricated single-mode light guide channel 5 photographed with a microscope is shown in FIG. 2. The division price on scale bar 6 is 10 microns. The transverse dimension of channel 5 is 1.5 μm; the longitudinal size of the portion of channel 5 shown in the photograph is 100 μm. The total longitudinal dimension of the entire channel 5 is equal to the thickness of sample 4 (20 mm).

Соседний светопроводящий канал изготавливают с помощью другого одиночного фемтосекундного импульса после либо параллельного смещения образца 4 на выбранную величину в направлении, перпендикулярном оси аксикона 3, либо после поворота образца 4 на выбранный угол вокруг оси, параллельной оси аксикона 3. The adjacent light-conducting channel is produced using another single femtosecond pulse after either parallel displacement of sample 4 by a selected amount in the direction perpendicular to the axis of axicon 3, or after rotation of sample 4 by a selected angle around an axis parallel to axis of axicon 3.

Claims (2)

1. Способ изготовления одномодового светопроводящего канала в прозрачном диэлектрике путем модификации структуры диэлектрика, включающий формирование воздействующего излучения фемтосекундного лазера и фокусировку этого излучения на выбранную область в диэлектрическом образце, отличающийся тем, что для изготовления одного светопроводящего канала используют излучение одиночного фемтосекундного импульса, которое фокусируют в выбранную область диэлектрика с помощью аксикона, при этом энергию импульса выбирают такой, чтобы интенсивность излучения J₀ вдоль оси аксикона (вдоль его фокуса) превышала пороговую интенсивность ионизации J_пор обрабатываемого диэлектрика.1. A method of manufacturing a single-mode light guide channel in a transparent dielectric by modifying the structure of the dielectric, including generating the emitted radiation of a femtosecond laser and focusing this radiation on a selected area in the dielectric sample, characterized in that a single femtosecond pulse is used to produce a single light guide channel, which is focused in the selected dielectric region with the help of the axicon, while the pulse energy is chosen such that The radiation intensity J ₀ along the axicon axis (along its focus) exceeded the threshold ionization intensity J _{pores of the} treated dielectric. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для изготовления (n + 1)-го светопроводящего канала осуществляют или n параллельных перемещений образца в направлении, перпендикулярном оси аксикона, или n угловых перемещений образца вокруг оси, параллельной оси аксикона. 2. The method according to claim 1, characterized in that for the manufacture of the (n + 1) -th light guide channel, either n parallel movements of the sample in a direction perpendicular to the axis of the axicon or n angular movements of the sample around an axis parallel to the axis of the axicon are carried out.

Images