Guide d'onda ultraveloci incise al laser in vetri al fluoruro personalizzati: una tecnologia abilitante per la fascia media

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14674 (2022) Citare questo articolo

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Il vetro al fluoruro di zirconio (ZBLAN), il materiale standard utilizzato nella fotonica del medio infrarosso basata su fibra, è stato riprogettato per consentire la fabbricazione di guide d'onda a bassa perdita e ad alto indice di contrasto tramite scrittura diretta con laser a femtosecondi. Dimostriamo che, contrariamente allo ZBLAN puro, un cambiamento positivo dell'indice vicino a 10−2 può essere indotto nei vetri ibridi zirconio/afnio (Z/HBLAN) durante l'iscrizione laser ultraveloce e mostriamo che ciò può essere spiegato da un effetto di distorsione della nuvola di elettroni ciò è guidato dall'esistenza di due formatori di vetro con polarizzabilità contrastante. Sono state fabbricate con successo guide d'onda di tipo I ad alta apertura numerica (NA) che supportano una modalità di lunghezza d'onda ben confinata di 3,1 μm con un diametro del campo modale (MFD) piccolo quanto 12 μm. Questi risultati aprono la strada alla fabbricazione di dispositivi fotonici integrati nel medio infrarosso che possono essere facilmente collegati alle fibre ZBLAN esistenti.

La tecnologia della fibra ottica basata sul vetro di silice ha rivoluzionato campi applicativi diversi come le telecomunicazioni e la produzione (ad esempio taglio laser e saldatura) fornendo una piattaforma integrata robusta ed efficiente per la generazione di luce visibile e del vicino infrarosso. Tuttavia, per lunghezze d'onda superiori a circa 2,5 μm, le fibre di silice diventano praticamente opache e devono essere utilizzati materiali alternativi in ​​vetro morbido. Negli ultimi anni, la tecnologia delle fibre al fluoro basata sul vetro ZBLAN1 si è rivelata molto promettente e ora ha finalmente raggiunto uno stadio di maturità in cui è pronta a dare il via a un simile cambiamento nel medio infrarosso2. Ad esempio, le sorgenti supercontinue basate su fibra nel medio infrarosso sono in grado di generare radiazione elettromagnetica con una copertura di lunghezza d'onda e la luminosità di un sincrotrone, ma con l'ingombro di uno strumento da tavolo3, consentendo così una rapida mappatura spettrale con un segnale- rapporto rumore-rumore (SNR) che supera quello ottenibile con una sorgente di sincrotrone e in un tempo di acquisizione più breve4. Tuttavia, affinché la tecnologia del medio infrarosso diventi una tecnologia davvero dirompente, è necessario lo sviluppo di sistemi implementabili sul campo, ovvero sistemi in grado di operare in condizioni ambientali difficili e talvolta addirittura estreme, in netto contrasto con le prove puramente di laboratorio. strumenti di principio, è necessario. Un prerequisito per questo è la disponibilità di componenti ottici integrati connettorizzati (cioè fibra intrecciata) e quindi compatti e robusti come splitter, accoppiatori, circolatori ed elementi selettivi della lunghezza d'onda, solo per citarne alcuni. Mentre tutti questi sono prontamente disponibili "pronti all'uso" per i sistemi basati su vetro di silice che operano nel vicino IR, componenti equivalenti per il medio infrarosso sono ancora in gran parte mancanti a causa delle sfide legate all'elevata dilatazione termica, all'igroscopicità e alla forte viscosità. curva di temperatura per la maggior parte dei materiali nel medio infrarosso, compresi i fluoruri. Inoltre, ad oggi, i produttori di dispositivi di giunzione non offrono apparecchiature completamente dedicate ai vetri morbidi, pertanto è difficile ottenere il controllo dell'alta temperatura richiesto intorno ai 250–350 °C per la lavorazione in condizioni ottimali con fibre al fluoro5,6. In questo lavoro presentiamo una potenziale soluzione a questo problema fondamentale.

L'iscrizione laser ultraveloce (ULI) è una tecnica ben studiata e utilizzata per la fabbricazione di guide d'onda ottiche sepolte all'interno di vari vetri7. Sebbene il metodo abbia il potenziale per risolvere il "collo di bottiglia nel medio infrarosso", è stato dimostrato che il vetro ZBLAN standard risponde solo con un cambiamento dell'indice positivo/negativo indotto molto limitato durante l'ULI, e come tale praticamente tutti i dispositivi ULI ZBLAN riportati sono basati su un approccio di iscrizione del rivestimento depresso, con conseguente guida di aree a bassa NA e di grandi dimensioni8,9. Queste strutture sono state utilizzate con successo per produrre laser a guida d'onda in vetri ZBLAN attivi10, ma sono di utilità limitata nella realizzazione di altri componenti ottici dove è richiesta bassa perdita e adattamento modale alle fibre ottiche nel medio infrarosso ad alto NA. Un dettaglio esaustivo di tutte le tecniche utilizzate per personalizzare l'indice di rifrazione all'interno del vetro ZBLAN, inclusa la tecnica di modellatura a fessura, può essere trovato nel rif11. Altri materiali trasparenti nel medio infrarosso come i germanati di piombo 12, i gallo-germanati 13, i telluriti 14 e i calcogenuri 15,16 sono stati utilizzati come substrati per guide d'onda inscritte al laser in questa regione di lunghezza d'onda. All'interno di questo gruppo, il vetro sufuro di gallio lantanio (GLS) è il vetro più interessante nel dimostrare la guida d'onda a bassa perdita a lunghezze d'onda maggiori (> 3 μm)17. Ma tutti questi vetri hanno un indice di rifrazione intrinsecamente elevato che introduce elevate perdite di accoppiamento alle architetture di fibre di fluoruro con indice inferiore. Anche se uno stadio intermedio è progettato per ridurre le perdite di accoppiamento, la grande differenza nel coefficiente di dilatazione termica (CTE) tra detti materiali e le fibre di fluoruro introduce ulteriori problemi di gestione termica per applicazioni ad alta potenza. Il CTE di un vetro ZBLAN è \(\ approx\) 18 × 10\(^{-8}\) K\(^{-1}\)18, mentre per GLS è più di due ordini superiore \(\ circa\) 6 × 10\(^{-6}\) K\(^{-1}\)19.