Способ получения одномодового волновода



Способ получения одномодового волновода
Способ получения одномодового волновода
Способ получения одномодового волновода
G02B6/10 - типа оптического волновода (G02B 6/24 имеет преимущество; приборы и устройства для управления светом с помощью электрических магнитных, электромагнитных или акустических средств G02F 1/00; перенос модуляции модулированного света G02F 2/00; оптические логические элементы G02F 3/00; оптические аналого-цифровые преобразователи G02F 7/00; запоминающие устройства с использованием электрооптических элементов G11C 11/42; электрические волноводы H01P; передача информации с помощью оптических средств H04B 10/00; передающие системы H04J 14/00)

Владельцы патента RU 2647207:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования - Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева) (RU)

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу получения одномодового волновода, основанному на модификации стекла сфокусированным пучком фемтосекундных лазерных импульсов. Способ получения одномодового волновода основан на модификации показателя преломления прозрачного диэлектрика, включающий фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрика и движение сфокусированного пучка по заданной траектории, приводящее к уменьшению показателя преломления материала в области фокусировки вдоль пути движения пучка. Последовательная запись нескольких треков пониженного показателя преломления, ограничивающих область из непромодифицированного материала, приводит к созданию одномодового волновода. При этом в качестве прозрачного диэлектрика используют теллуритное стекло, а фемтосекундный лазер генерирует на длине волны 1028 нм импульсы с частотой в интервале 1-1000 кГц длительностью 150-500 фс и с энергией 14-200 нДж, при перемещении сфокусированного объективом с числовой апертурой в диапазоне 0.3-0.9 лазерного пучка относительно стекла в скоростном интервале 0.033-20 мм/с, шаг между треками, формирующими оболочку волновода, находится в интервале 1.4-3.6 мкм. Технический результат - создание структуры с оболочкой с пониженным показателем преломления в стекле. 8 пр., 3 ил.

 

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу получения одномодового волновода, основанному на модификации стекла сфокусированным пучком фемтосекундных лазерных импульсов. Воздействие фемтосекундного излучения позволяет создавать в объеме образца обладающую волноводными свойствами структуру, состоящую из набора треков, центры которых расположены на цилиндрической поверхности параллельно его образующей, и ограничивают необлученную область. Полученный результат может быть использован для создания волноводных устройств ИК оптики, в том числе волноводных лазеров. Волноводы предлагаемой архитектуры перспективны для генерации суперконтинуума в среднем ИК.

В общем случае для создания волновода требуется получить осесимметричную систему, в которой показатель преломления в центральной области больше показателя преломления на периферии. После заведения в сердцевину такой системы световая волна будет распространяться, не выходя за пределы оболочки вследствие эффекта полного внутреннего отражения.

В настоящее время известны несколько способов создания волноводов, "погруженных" в объем стекла. Очень перспективными являются способы формирования волноводов в объеме прозрачного диэлектрика путем воздействия ультракоротких (фемтосекундных) лазерных импульсов. Энергия импульса должна превышать пороговую энергию модификации материала. Фемтосекундное излучение, сфокусированное объективом, модифицирует стекло в области перетяжки лазерного пучка, не изменяя при этом окружающий объем вещества. При движении с постоянной скоростью пучка относительно образца в объеме будет формироваться канал с отличным от исходного показателем преломления.

В случае если внутри промодифицированной области произошло увеличение показателя преломления, то полученный трек можно использовать в качестве волновода, если же внутри промодифицированной области происходит уменьшение показателя преломления, то можно из нескольких треков создать оболочку с пониженным показателем преломления, ограничивающую непромодифицированную сердцевину.

Известен способ формирования волновода в оптическом стекле марки К8 с помощью фемтосекундного лазера (патент RU 2150135 МПК7, G02B 6/13, опубл. 07.06.1999), фокусируемого в объем стекла с помощью аксикона. Канал с увеличенным показателем преломления формировался вдоль оптической оси системы, а использование достаточно большой энергии в импульсе (несколько миллиджоулей) позволяло модификацию стекла одиночными импульсами. Использовались фемтосекундные импульсы с энергией 5 мДж с частотой повторения 10 Гц для создания канала длиной 20 мм и поперечным размером 1.5 мкм. Недостатком данного способа являются большие энергии в импульсе, что может приводить к формированию областей с повышенным внутренним напряжением (стрессы), и неоднородность светового поля вдоль оси аксикона.

Известен способ создания волновода с увеличенным показателем преломления в сердцевине относительно периферии в объеме кварцевого стекла (патент US 2002/0076655 МПК7, G03F 7/00, опубл. 20.06.2002). Модификация осуществлялась титан-сапфировым лазером (длина волны 830 нм): длительность фемтосекундных импульсов составляла 18÷120 фс, частота повторения 1÷200 кГц, энергия в импульсе была в интервале 0.5÷10 мкДж. Для фокусировки использовался объектив с числовой апертурой 0.16, образец перемещался относительно записывающего пучка со скоростью 20÷500 мкм/с. К недостаткам данной методики относятся высокая энергия записывающего импульса и медленная скорость перемещения образца (записи). Аналогичный способ описан для формирования волноводов в силикатном стекле с содержанием оксида германия и во фторидном стекле (патент ЕР 0797112 МПК7 G02B 6/12 опубл. 14.02.2001). Также использовался титан-сапфировый лазер (длина волны 800÷1000 нм): длительность импульсов составляла 150 фс, частота повторения от 10 кГц. Общим недостатком методики фемтосекундного формирования сердцевины волновода является то, что модифицируется именно та область, по которой должен двигаться световой пучок. Имеет место изменение свойств материала, которое может быть неоднородным по длине трека. Кроме того, размеры волноводной моды ограничены размерами области перетяжки записывающего пучка.

Более перспективными являются волноводы с неизмененной сердцевиной и промодифицированной оболочкой, т.е. когда записывается несколько треков, центры которых в поперечном сечении расположены на окружности. В этом случае требуется, чтобы внутри облученной области происходило уменьшение показателя преломления. Волноводы с промодифицированной оболочкой обладают однородной неизмененной сердцевиной, кроме того, форма сердечника может изменяться в зависимости от требований к волноводу, в таких волноводах можно реализовывать ведение большой моды, осуществлять управление модовым составом ведомого излучения.

Известен способ (патент RU 2578747, МПК G02B 6/10, опубл. 24.12.2014) формирования оболочки с пониженным показателем преломления в кварцевом стекле при облучении лазером с длиной волны 1040 нм, при длительности импульса 360 фс, с частотой следования импульсов 0.1-10 МГц. Облучение кварцевого стекла при подобных условиях приводило к формированию трека с увеличенным показателем преломления в центральной части трека, однако на периферии имело место небольшое уменьшение показателя преломления по сравнению с непромодифицированной областью, т.е. позволявшее создать волновод с пониженной оболочкой. Недостатком данной методики являются большие энергии в фемтосекундном импульсе и маленький диапазон уменьшения показателя преломления на периферии промодифицированной области, что может приводить к большим утечкам энергии из волноводной области.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования волноводов с промодифицированной оболочкой, описанный в патенте WO 2005/040874 МПК7 G02B 6/12 опубл. 06.05.2005, в котором использовалось фемтосекундное излучение на длине волны 800 нм, при длительности импульса 120 фс, частоте следования импульсов 1 кГц, и энергии 0.5 мДж, в качестве материала использовался кристалл иттрий-алюминиевого граната (YAG), легированный ионами неодима. Для фокусировки использовался объектив с числовой апертурой, равной 0.65.

Недостатком данного способа являются большие энергии, необходимые для фемтосекундной модификации кристаллической фазы, и медленная скорость записи каждого из треков, формирующих волновод.

Предлагаемое изобретение решает задачи упрощения записи в прозрачном диэлектрике волновода с пониженным показателем преломления в промодифицированной оболочке и уменьшение энергии модификации.

Техническим результатом изобретения является создание структуры с оболочкой с пониженным показателем преломления в стекле.

Этот технический результат достигается способом получения одномодового волновода, основанным на модификации показателя преломления прозрачного диэлектрика, включающим фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрика и движение сфокусированного пучка по заданной траектории, приводящее к уменьшению показателя преломления материала в области фокусировки вдоль пути движения пучка. Последовательная запись нескольких треков пониженного показателя преломления, ограничивающих область из непромодифицированного материала, приводит к созданию одномодового волновода. При этом в качестве прозрачного диэлектрика используют теллуритное стекло, а фемтосекундный лазер генерирует на длине волны 1028 нм импульсы с частотой в интервале 1-1000 кГц длительностью 150-500 фс и с энергией 14-200 нДж, при перемещении сфокусированного объективом с числовой апертурой в диапазоне 0.3-0.9 лазерного пучка относительно стекла в скоростном интервале 0.033-20 мм/с, шаг между треками, формирующими оболочку волновода, находится в интервале 1.4-3.6 мкм.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлена схема системы для фемтосекундной модификации стекла: 1 - фемтосекундный лазер, 2 - зеркала, 3 - аттенюатор, 4 - полуволновая пластинка, 5 - объектив, 6 - образец, 7 - система позиционирования на воздушной подушке.

На фиг. 2 приведена фотография поперечного сечения записанной структуры с пониженным показателем преломления в оболочке, полученная с помощью микроскопа.

На фиг. 3 показано распределение интенсивности на выходе из созданного волновода.

Схема экспериментального стенда показана на фиг. 1. Источником фемтосекундных импульсов являлся иттербиевый лазер 1, генерирующий на длине волны 1028 нм. Для управления направлением распространения пучка использовались зеркала 2, для контроля энергии и поляризации пучка использовали моторизированные аттенюатор 3 и полуволновую пластинку 4. Пучок фокусировался объективом 5 в объеме образца 6, помещенного на прецизионную трехкоординатную систему позиционирования на воздушной подушке 7.

Достижение заявляемого технического результата подтверждается следующими примерами.

Пример 1.

Использовали образец, содержащий TeO2 70 мол. %, WO3 22 мол. %, Bi2O3 8 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 180 фс, частота следования 180 кГц, энергия в импульсе 70 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 6 мм/с. Использовали объектив с увеличением 100х и числовой апертурой NA=0.85.

Облучение приводило к формированию в объеме стекла (на глубине 110 мкм относительно поверхности) гладких треков высотой около 30 мкм с показателем преломления ниже, чем в непромодифицированной области. Изменение показателя преломления Δn=-0.0008.

Была записана структура из 32 треков, окружающих непромодифицированную область. В процессе записи поляризация пучка была ортогональной направлению движения столика с образцом. Сначала записывались самые глубокие треки, потом - верхний уровень, чтобы не было искажений при фокусировке в объеме стекла при прохождении через промодифицированную область. Расстояние между треками составляло 1.4 мкм, диаметр волноводной зоны (сердцевины) равен 12 мкм. Фотография поперечного сечения записанной волноводной структуры приведена на фиг. 2.

Экспериментально полученное распределение интенсивности излучения (на длине волны 1064 нм), предварительно заведенного в созданную структуру на выходе из волновода, показано на фиг.3. Наблюдалось одномодовое ведение, полные внутренние волноводные потери не превышали 0.15 дБ/см.

Пример 2.

Использовали образец, содержащий TeO2 70 мол. %, WO3 22 мол. %, Bi2O3 8 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 180 фс, частота следования 180 кГц, энергия в импульсе 70 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 6 мм/с. Использовали объектив с увеличением 100х и числовой апертурой NA=0.85.

Изменение показателя преломления Δn=-0.0008. Расстояние между треками составляло 3.6 мкм. Был записан волновод с оболочкой с пониженным показателем преломления. Диаметр сердцевины составлял 18 мкм.

Пример 3.

Использовали образец, содержащий TeO2 73 мол. %, WO3 22 мол. %, Bi2O3 5 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 180 фс, частота следования 1 кГц, энергия в импульсе 65 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 0.033 мм/с. Использовали объектив с увеличением 100х и числовой апертурой NA=0.85.

Облучение приводило к формированию в объеме стекла гладких треков высотой около 20 мкм с показателем преломления ниже, чем в непромодифицированной области.

Изменение показателя преломления Δn=-0.0008. Понижение показателя преломления внутри промодифицированной области указывает на возможность создания волновода с оболочкой с пониженным показателем преломления для данного класса соединений в описанных выше экспериментальных условиях.

Пример 4.

Использовали образец, содержащий TeO2 73 мол. %, WO3 22 мол. %, Bi2O3 5 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 150 фс, частота следования 180 кГц, энергия в импульсе 70 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 6 мм/с. Использовали объектив с числовой апертурой NA=0.3.

Облучение приводило к формированию в объеме стекла гладких треков высотой около 30 мкм с показателем преломления ниже, чем в непромодифицированной области.

Изменение показателя преломления Δn=-0.0009.

Пример 5.

Использовали образец, содержащий TeO2 73 мол. %, WO3 22 мол. %, Bi2O3 5 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 500 фс, частота следования 180 кГц, энергия в импульсе 70 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 6 мм/с. Использовали объектив с числовой апертурой NA=0.9.

Облучение приводило к формированию в объеме стекла гладких треков высотой около 30 мкм с показателем преломления ниже, чем в непромодифицированной области.

Изменение показателя преломления Δn=-0.0014.

Пример 6.

Использовали образец, содержащий TeO2 64.8 мол. %, WO3 21.6 мол. %, La2O3 3.6 мол. %, MoO3 10 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 180 фс, частота следования 1000 кГц, энергия в импульсе 60 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 20 мм/с. Использовали объектив с увеличением 100х и числовой апертурой NA=0.85.

Облучение приводило к формированию в объеме стекла треков высотой около 30 мкм с показателем преломления ниже, чем в непромодифицированной области.

Изменение показателя преломления Δn=-0.002.

Пример 7.

Использовали образец, содержащий TeO2 73 мол. %, WO3 22 мол. %, Bi2O3 5 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 180 фс, частота следования 3 кГц, энергия в импульсе 14 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 0.1 мм/с. Использовали объектив с увеличением 100х и числовой апертурой NA=0.85.

Облучение приводило к формированию в объеме стекла треков высотой 4 мкм с показателем преломления ниже, чем в непромодифицированной области.

Изменение показателя преломления Δn=-0.001.

Пример 8.

Использовали образец, содержащий TeO2 73 мол. %, WO3 22 мол. %, Bi2O3 5 мол. %. Параметры записи: длительность импульса 180 фс, частота следования 3 кГц, энергия в импульсе 200 нДж, скорость движения пучка относительно образца составляла 0.1 мм/с. Использовали объектив с увеличением 100х и числовой апертурой NA=0.85.

Облучение приводило к формированию в объеме стекла треков высотой 55 мкм с показателем преломления ниже, чем в непромодифицированной области.

Изменение показателя преломления Δn=-0.0006.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет записывать одномодовый волновод с оболочкой с пониженным показателем преломления. Дополнительными достоинствами способа являются низкая энергия воздействующего импульса и возможность модификации при высоких скоростях (больше 5 мм/с) движения пучка относительно образца.

Способ получения одномодового волновода, основанный на модификации показателя преломления прозрачного диэлектрика, включающий фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрика и движение сфокусированного пучка по заданной траектории, приводящее к уменьшению показателя преломления материала в области фокусировки вдоль пути движения пучка, при этом последовательная запись нескольких треков пониженного показателя преломления, ограничивающих область из непромодифицированного материала, приводит к созданию одномодового волновода, отличающийся тем, что в качестве прозрачного диэлектрика используют теллуритное стекло, а фемтосекундный лазер генерирует на длине волны 1028 нм импульсы с частотой в интервале 1-1000 кГц длительностью 150-500 фс и с энергией 14-200 нДж, при перемещении сфокусированного объективом с числовой апертурой в диапазоне 0.3-0.9 лазерного пучка относительно стекла в скоростном интервале 0.033-20 мм/с, шаг между треками, формирующими оболочку волновода, находится в интервале 1.4-3.6 мкм.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к волоконно-оптическим устройствам. Двойная гибкая оптическая схема содержит: гибкую подложку, удерживающую множество оптических волокон; первый соединитель, оконцовывающий оптические волокна на первом конце двойной гибкой оптической схемы, и второй соединитель, оконцовывающий оптические волокна на втором конце двойной гибкой оптической схемы.

Данное изобретение относится к конструкциям муфты для оптического волокна, в частности герметической сборке для выравнивания оптического волокна, включающей муфту для выравнивания оптических волокон.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается оптоволоконного коммутатора лазерного спектроанализатора. Оптоволоконный коммутатор включает в себя оптоволоконный датчик, лазеры, оптоволоконные средства соединения лазеров с датчиком, устройства регулирования мощности лазерного излучения, анализатор флуоресцентного сигнала и компьютерную систему управления и обработки данных.

Группа изобретений относится к области морского приборостроения. Подводное устройство для оптоэлектронного оборудования в 1 и 2 вариантах реализации содержит цилиндрический корпус с торцевыми крышками, узлы герметизации волоконно-оптического кабеля, расположенные на торцевых крышках, кассету, размещенную внутри герметичного корпуса.

Изобретение относится к оптическому коннектору. Заявленный оптический коннектор, предназначенный для оконцовки волоконно-оптического кабеля с оболочкой, содержит корпус, выполненный таким образом, чтобы он был совместим с приемной частью.

Данное изобретение относится к разъему для оптического волокна и оптическому соединителю, включающему в себя этот разъем. Изобретение направлено на обеспечение оптического соединителя, способного минимизировать повреждение волоконно-оптического кабеля и минимизировать деформацию контактной части и крышки в процессе инсталляции волоконно-оптического кабеля.

Изобретение относится к оптоволоконному разъему в сборе. Заявленный оптоволоконный разъем в сборе содержит оптоволоконный разъем, включающий в себя основной корпус разъема и заднюю вставку, которая крепится внутри заднего конца для заделки кабеля основного корпуса разъема.

Известны механические волоконно-оптические коннекторы для телекоммуникационной индустрии. Волоконно-оптический коннектор (100) содержит корпус (112), выполненный с возможностью стыковки с приемной частью, захватное устройство (140), предназначенное для захвата оптического волокна (135).

Изобретение относится к устройствам волоконно-оптических линий передачи информации и может быть использовано в качестве герметичного волоконно-оптического соединителя.

Настоящее изобретение относится к инструменту для обработки, в частности для оконцовки световодов. Инструмент содержит по меньшей мере один обжимной штамп для обжима по меньшей мере одного световода со штекерами и обрезной механизм для обрезки концов по меньшей мере одного световода.

Изобретение относится к области информационно-коммуникационных технологий и касается способа увеличения длины распространения инфракрасных монохроматических поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) по плоской металлической поверхности.

Изобретение относится к лазерной обработке материалов. Способ формирования оболочки оптической волноводной структуры в объеме прозрачного материала осуществляется сверхкороткими импульсами лазерного излучения, при котором импульсы лазерного излучения фокусируют в объем прозрачного материала.

Изобретение относится к области оптической локации и лазерной техники. Способ выделения части сигнала с максимальным значением интенсивности включает использование целого числа пар, состоящих из нулевого и первого туннельно-связанных нелинейно-оптических волноводов (ТСНОВ).

Изобретение относится к технологии изготовления оптических волноводов, то есть светопроводящих и светоуправляющих структур, расположенных в объеме стекла. Техническим результатом изобретения является увеличение различия в показателях преломления сердцевина-оболочка и уменьшение потерь, передаваемых по волноводу, оптического сигнала.

Изобретение относится к оптике и касается способа повышения плотности мощности светового излучения внутри среды. Способ включает в себя формирование среды в виде многослойной периодической структуры, имеющей в спектре пропускания запрещенную зону, а также узкие резонансные пики полного пропускания и направление в эту среду излучения, длина волны которого совпадает с одним из резонансных пиков полного пропускания.

Изобретение относится к способу получения оптических планарных волноводов в ниобате лития для интегральной и нелинейной оптики. .

Изобретение относится к планарным волноводам. .

Изобретение относится к волоконно-оптической технике связи и может быть использовано для увеличения полосы пропускания многомодовой волоконно-оптической линии передачи.

Изобретение относится к технике оптической связи, в частности к лазерным атмосферным системам передачи информации, и может быть использовано в качестве однопролетной беспроводной линии связи, например, для организации канала связи между двумя абонентами или между абонентом и станцией абонентского доступа.

Изобретение относится к области телекоммуникации, к пассивным оптическим цепям с петлевой архитектурой. .

Изобретение относится к способам и устройству для формирования оптических волокон и, в частности, относится к способу изготовления оптического волокна для формирования и охлаждения оптического волокна.

Изобретение относится к области лазерной обработки материалов, в частности к способу получения одномодового волновода, основанному на модификации стекла сфокусированным пучком фемтосекундных лазерных импульсов. Способ получения одномодового волновода основан на модификации показателя преломления прозрачного диэлектрика, включающий фокусировку фемтосекундных лазерных импульсов в объем диэлектрика и движение сфокусированного пучка по заданной траектории, приводящее к уменьшению показателя преломления материала в области фокусировки вдоль пути движения пучка. Последовательная запись нескольких треков пониженного показателя преломления, ограничивающих область из непромодифицированного материала, приводит к созданию одномодового волновода. При этом в качестве прозрачного диэлектрика используют теллуритное стекло, а фемтосекундный лазер генерирует на длине волны 1028 нм импульсы с частотой в интервале 1-1000 кГц длительностью 150-500 фс и с энергией 14-200 нДж, при перемещении сфокусированного объективом с числовой апертурой в диапазоне 0.3-0.9 лазерного пучка относительно стекла в скоростном интервале 0.033-20 ммс, шаг между треками, формирующими оболочку волновода, находится в интервале 1.4-3.6 мкм. Технический результат - создание структуры с оболочкой с пониженным показателем преломления в стекле. 8 пр., 3 ил.

Наверх