超短脈沖激光在摻Er3+磷酸鹽玻璃中制備光波導的實驗研究

白 晶,龍學文

(1.太原師范學院 物理系,晉中 030619; 2.太原師范學院 計算與應用物理研究所,晉中 030619;3.湖南醫藥學院,懷化 418000)

1 引 言

集成光學是將眾多不同功能的光子器件集成在一個很小尺度的區域內，相較離散光學器件系統具有體積小，功耗低，穩定可靠等優點[1-3]，是近年來光學領域的前沿熱點研究方向.在眾多集成光子器件中，光波導[4，5]擔負著各個光子器件的互聯作用，而且其本身就是重要的光子器件，可以提供各種被動光子器件[6，7]功能和主動增益器件[8，9]功能.作為主動增益光子功能器件的波導激光器[10-12]和波導放大器[13-15]尤為受到關注，因為它為整個光路系統提供光源，決定了集成光學系統的穩定性和整體光路的集成度，是集成光學的核心器件.鑒于光波導可將光場束縛在幾微米甚至更小的尺度，波導激光器相比傳統體介質激光器具有更高的光功率密度，更低的泵浦閾值等優勢，因此如何制備高質量的主動增益波導就成為了集成光學關鍵技術之一.

磷酸鹽基底玻璃在眾多氧化物激光介質中，具有稀土離子溶解度高，不易出現熒光上轉換，熱傳導系數高，熱膨脹系數低等特點，已經成為研究的熱點并且已經得到廣泛應用[16-18].摻鉺磷酸鹽玻璃具有高摻雜濃度的增益離子、熒光壽命>1ms以及發射波段在1.55 μm通信波段附近等特點，可滿足高增益、高效率、緊湊結構等集成光學的要求，是重要的主動增益器件制備材料.因此，如何在摻鉺磷酸鹽玻璃上制備高性能的光波導成為集成光學的一個重要課題.傳統的光波導制備方式有離子注入、離子交換等方式[19-25]，但是其工藝復雜，而且對環境要求很高，特別是制備過程還要借助于光學掩膜版等輔助手段才可以制備復雜結構的光波導.超短脈沖激光直寫波導技術是一種新興的波導制備手段，它依靠將高峰值功率的超短脈沖聚焦在幾微米的尺度內，獲得極高的峰值功率密度，從而達到非線性吸收閾值，觸發材料產生劇烈的電離效應，最終高能的等離子體與物質晶格作用，部分修改了材料的微觀結構，產生了折射率的區域性修改，從而制備不同結構的光子器件，這種技術工藝簡單，制備結構靈活，對樣品和環境要求低，逐漸成為在集成光子器件領域一種便捷、有力的制作手段[26].采用這種加工手段已經成功實現了波導分束器[27]，波導耦合器[28]，波導光柵[29]，波導激光器和波導放大器[30-33]等光子功能器件.總之，超短脈沖制備光子功能器件技術為實現多功能集成光路提供了有效實現途徑.

本文詳細研究了重復頻率1 kHz，中心波長800 nm，脈沖寬度120 fs的超短脈沖激光在摻Er3+磷酸鹽玻璃內部制備波導的參數窗口，討論激光參數和波導特性之間的關系.研究結果表明，采用狹縫整形焦點技術輔助20×顯微物鏡橫向刻寫，當寫入脈沖激光能量固定為1.8 μJ時，光波導可以在寫入速度從10 μm/s至160 μm/s的窗口范圍內實現，當固定寫入速度為40 μm/s時，直寫波導的脈沖能量范圍為1.6 μJ-2.0 μJ，而寫入波導的深度在距表面為125 μm-200 μm時，波導制備效果最佳.通過端耦合系統測得波導近場模式分布，結果顯示激光刻寫波導的近場模式分布對稱，導光特性良好.根據近場模式圖片采用有限差分方法計算了波導區域的折射率修改分布，所制備波導中折射率修改值最高為Δn=6.6×10-4.根據截斷測量法，所制備波導的傳播損耗低至0.91 dB/cm.

2 實驗裝置介紹

波導制備實驗裝置如圖1所示，加工光源采用鈦藍寶石激光放大系統(Spitfire，Spectra Physics)，激光輸出參數為：重復頻率1 kHz，光譜寬度12 nm，中心波長800 nm，脈沖寬度120 fs.輸出的脈沖激光首先通過由800 nm的1/2 λ波片和800 nm的偏振器組成的能量調節器，精確控制加工脈沖激光的能量，加工透鏡之前由計算機控制的快門來控制激光對樣品的輻照時間，加工透鏡采用20×顯微物鏡 (Mitutoyo，work distance = 20 mm，NA = 0.42，f = 10 mm).實驗采用的樣品為摻鉺磷酸鹽玻璃 (Er3+：2 % wt.，10 mm×8 mm×3.5 mm)，被固定在一個三維精密位移平臺(Physik Instrumente)上，可以平行于激光傳播方向或者垂直于激光傳播方向移動.這里要指出的是，由于實驗采用垂直于激光傳播方向的橫向刻寫方式，所以在加工透鏡之前放置的狹縫起到了整形激光焦點形狀的作用.其位置在加工物鏡像方主平面后10 cm處，狹縫寬度為450 μm.文中所涉及到的加工激光的脈沖寬度和能量均為顯微物鏡之后測得.波導加工長度為9 mm，在波導兩端均與玻璃表面有500 μm間隙，避免了測試波導近場模式和插入損耗時兩端拋光處理.在波導上方通過CCD相機結合相位對比顯微鏡 (Olympus BX51)可以實時觀測加工過程及所制備波導的形貌等特征.近場模式測量采用經典的端耦合裝置，光源采用非相干的LED光源及尾纖輸出的976 nm的半導體LD光源，通過f=13mm的短焦非球面鏡注入波導一端，在另一端用10 ×顯微物鏡將波導的近場模式成像到CCD相機，以獲得波導近場模式分布.

圖1 超短脈沖激光直寫波導實驗裝置示意圖.圖中樣品移動沿Y方向，CCD是電荷耦合器件，用于實時觀察波導刻寫過程.

3 實驗結果及分析

3.1 波導寫入參數窗口研究

波導的寫入制備主要由寫入脈沖的能量大小、波導與激光焦點的空間相對位移速度即寫入速度、寫入激光的脈沖寬度以及激光焦點在玻璃樣品中的深度位置等幾個重要參數決定.因此重點討論以上幾個參數對波導制備的影響，同時給出波導的制備參數范圍.

3.1.1寫入速度對波導形成的影響

寫入激光為超短脈沖放大系統輸出的超短脈沖激光，調節放大器壓縮光柵空間位置，控制注入至樣品表面的脈沖寬度為120 fs，并且將狹縫整形的激光焦點固定在樣品表面下200 μm，同時固定寫入激光的脈沖能量為1.8 μJ，采用不同的寫入速度制備波導.實驗結果如圖2所示，當寫入速度為10 μm/s時，制備波導形貌表現出明顯的損傷痕跡，在波導側面相位對比顯微圖片(PCM)圖片中顯示的激光刻寫痕跡中既有灰色的正折射率修改也有白色的負折射率修改，說明此時沉積到單位長度的脈沖能量過高，超過了材料損傷閾值，不僅有正折射率修改還出現了基底玻璃材料結構的破壞，雖然后續波導近場模式測量顯示波導仍可導通，但是其不規則的形貌會增加波導的傳輸損耗；繼續增加寫入速度，在寫入速度為20 μm/s時，波導側面PCM圖顯示波導形貌規則且激光寫入區域為灰色軌跡，說明在此參數之下，僅出現折射率修改，激光焦點區域折射率修改為正值且均勻性較好；當寫入速度提高至40 μm/s時，波導PCM圖顯示仍然保持均勻的灰色軌跡，其灰度略低于20 μm/s時的波導軌跡，這也說明沉積到單位長度的能量降低之后，對應的波導正折射率修改會相應降低；繼續增加波導寫入的速度至80 μm/s和160 μm/s，波導側面PCM均表現為規則均勻的灰色軌跡，只是灰度會隨速度增加而逐漸降低，但仍然為正折射率修改，定量的折射率修改規律會在下文中利用波導近場模式反推折射率進行詳細的討論；若刻寫速度超過160 μm/s后，PCM圖片顯示激光焦點掃過區域內幾乎沒有折射率修改，近場模式測量顯示對應區域也沒有出現波導導通現象，說明此參數下的激光輻照量不足以引起波導正折射率的修改.因此，在寫入激光脈沖固定為1.8 μJ時，寫入速度的窗口范圍為10 μm/s-160 μm/s，在20 μm/s-80 μm/s范圍內波導刻寫效果更佳.

圖2 寫入激光脈沖能量固定為1.8 μJ時，不同寫入速度下波導的側面PCM圖.

3.1.2寫入脈沖能量對波導形成的影響

保持寫入激光的脈寬仍然為120 fs，寫入深度距樣品表面仍為200 μm，控制寫入速度為40 μm/s，考察波導寫入脈沖能量對波導形成的影響.當寫入脈沖能量低于1.6 μJ時，激光焦點軌跡上沒有任何折射率修改，說明激光能量不足以引起基底材料的折射率修改.增加脈沖能量至1.6 μJ，激光焦點軌跡區域出現了灰色痕跡代表的正折射率修改，如圖3(a)所示，說明能量已經達到磷酸鹽基底玻璃折射率修改閾值；圖3(b)顯示脈沖能量為1.7 μJ時，波導的側面PCM圖，相較于1.6 μJ的脈沖能量對應的波導側面PCM圖，波導軌跡的灰度值略微增加，這是因為沉積的能量更多，帶來的正折射率修改更大；如圖3 (c)和 (d)所示，增加能量至1.8 μJ和1.9 μJ，波導區域的灰度值持續增加，說明增加能量有助于提高波導區域的折射率增加；當脈沖能量增加至2.0 μJ時如圖3 (e)所示，波導軌跡上出現了部分損傷痕跡，說明此時激光脈沖能量過高，達到了材料結構損傷閾值，出現不均勻分布的損傷，增加了波導的傳輸損耗.上述實驗結果表明，波導對寫入激光脈沖能量極為敏感，其窗口范圍僅為1.6 μJ-2.0 μJ，其中在1.7 μJ-1.9 μJ范圍內，波導制備效果更好.

圖3 寫入速度固定為40 μm/s時，不同脈沖能量下波導的側面PCM圖.

3.1.3寫入激光脈寬對波導形成的影響

實驗中我們同樣討論了波導制備與寫入激光的脈沖寬度依賴關系，發現當激光放大系統調節到最窄脈沖寬度120 fs時，所制備波導正折射率修改明顯且有較大的寫入速度窗口，但增加脈沖至150 fs以上之后，波導區域的折射率修改明顯降低且寫入速度窗口范圍縮小，這一實驗結果與熔石英玻璃等硅酸鹽玻璃基底材料結果類似，均在<150 fs的窄脈寬時才會有明顯的正折射率修改，且激光脈沖脈寬窗口極窄，因此本實驗將寫入激光的脈沖寬度固定為系統最窄輸出脈寬值120 fs，以獲得較好的波導制備效果.

3.1.4寫入深度對波導形成的影響

由于采用了橫向寫入結合狹縫整形技術，波導距表面的寫入深度也是需要考慮的重要參量，實驗中采用了125 μm，200 μm，275 μm，325 μm以及375 μm五個不同深度的參數來研究其對波導制備特別是橫截面形貌的影響，圖4給出了不同深度的波導側面PCM圖片以及波導端面的形貌圖，可以看出125 μm和200 μm深度的波導，橫截面保持了較好的圓對稱性，隨著波導深度增加，橫截面對稱性逐漸降低，這是因為玻璃表面對聚焦激光有像差，在200 μm以內深度的焦點剛好球差最小，同時從側面PCM也可以看出，在此范圍內所波導對應的折射率修改更為明顯，也說明同樣的脈沖能量沉積在了更小的焦長范圍內從而引起更大的折射率修改.因此寫入深度窗口最優為125 μm-200 μm.

圖4 固定寫入激光脈沖能量為1.8 μJ和寫入速度為40 μm/s，不同寫入深度下波導橫截面形貌顯微鏡和側面PCM圖.

3.2 波導導模特性研究

除了以波導的側面PCM圖以及橫截面形貌圖來衡量波導的基本特性，波導的導光特性是衡量波導質量優劣的重要指標，圖5 (a)和 (b)分別給出了以寫入激光脈沖能量為1.8 μJ和寫入速度為40 μm/s的參數所制備波導的非相干LED白光近場模式圖以及976 nm半導體激光近場模式圖.圖5 (a)中可以看到在可見光波段，波導導光良好，且橫截面形貌整齊均勻，沒有損傷痕跡.圖5(b)顯示波導在976 nm的近紅外激光波段，具有良好的導通特性，激光近場模式對稱，呈基模高斯分布，近場模式直徑約為17.8 μm(1/e2全寬度).

為了進一步研究激光加工過程中對波導區域的折射率修改情況，本文基于有限差分方法[34]，根據波導近場模式強度分布，計算了波導橫截面折射率修改分布情況.圖6為根據圖5(b)所示的近場模式強度分布，反推計算了基底材料在1.8 μJ的寫入脈沖能量以及40 μm/s寫入速度條件下的折射率修改分布.由圖可以看到波導區域的折射率修改與近場模式類似，呈中心對稱分布，中心部分折射率修改最大值為Δn=4.76×10-4.隨著遠離中心位置，其折射率修改量逐漸降低，因為激光焦點能量分布仍呈高斯對稱分布，中心區域的脈沖峰值功率最高，由其帶來的非線性吸收和等離子體能量也越高，與基底材料網絡結構的作用也就越強烈，引起的折射率修改也就越大，其折射率修改也呈對稱分布，直徑約為18 μm左右，與圖5 (b)所示的近場模式強度分布吻合.這里還值得注意的一點是，波導和基底的交界區域出現了環形的折射率降低修改區域 (圖6中顯示為藍色環狀區域)，其折射率低于基底材料的折射率，原因是，波導中心區域由于脈沖激光作用產生致密化現象，導致材料由波導邊緣向中心部分向內壓縮，波導邊緣部分的材料密度降低，折射率下降，產生環形折射率降低區域.此現象同時會增加波導芯層和包層的折射率差值，提高波導對光的限制能力，有利于獲得良好的波導導光模式.

采用上文所述有限差分方法，根據波導近場強度分布，計算了不同寫入參數下所制備波導的折射率修改分布圖.圖7 (a)給出了在固定寫入脈沖能量為1.8 μJ條件下，不同寫入速度與所制備波導的折射率修改關系.可以看到，在寫入速度為10 μm/s時，激光刻寫波導的折射率中心最大值最高，達到5.97×10-4.隨著寫入速度逐漸增加，折射率修改最大值逐漸降低，這是由于寫入速度增加導致沉積到單位長度的脈沖能量降低，對區域內折射率的修改也逐漸降低，對光束的限制能力也逐漸降低；當寫入速度為160 μm/s時，折射率修改量低至1.5×10-4，如果繼續增加寫入速度，則激光焦點掃描痕跡內折射率幾乎沒有修改，不會形成波導.圖7(b)給出了固定寫入速度為40 μm/s條件下，不同寫入脈沖能量與所制備的波導的折射率修改關系.由圖可知，在寫入脈沖能量為1.6 μJ時，制備波導的中心折射率修改值最低，為3.36×10-4.隨著寫入脈沖能量逐漸增加，波導區域的折射率修改最大值也逐漸增加；當脈沖能量為2.0 μJ時，可達到6.6×10-4，因為在相同寫入速度下，提高脈沖能量可以增加波導區域沉積的激光能量，增加波導折射率修改幅度.當脈沖能量低于1.6 μJ時，不足以引起材料折射率修改，當脈沖能量超過2.0 μJ時，會出現材料損傷，引起傳輸損耗明顯增加.

圖7 (a)寫入激光脈沖能量固定為1.8 μJ時，波導折射率修改隨寫入速度的變化關系；(b)寫入速度固定為40 μm/s時，波導折射率修改隨寫入激光脈沖能量的變化關系.

3.3 波導傳輸損耗特性研究

實驗中同一刻寫參數下分別制備了5 mm，6 mm，7 mm，8 mm，9 mm五種不同長度的波導，采用截斷測量法評估所制備波導的傳輸損耗.各波導的入射端距樣品表面都保持500 μm的距離，各波導出射端口在樣品內部不同位置，樣品兩側表面做拋光處理，減小測量誤差.在波導入射端口采用端耦合方式通過短焦透鏡(f=10 mm)對波導注入1030 nm激光，以避免Er3+離子在976 nm的吸收峰對傳輸損耗測量的影響，不同長度波導保持相同注入條件(相同功率激光和相同焦距注入透鏡)，成像所用CCD相機更換為激光功率計，測量各波導輸出端的激光功率，從而獲得各波導的插入損耗.圖8給出了以寫入脈沖能量為1.8 μJ，寫入速度為40 μm/s時制備的不同長度的波導插入損耗.對插入損耗數據做線性擬合，其斜率代表此參數所制備波導的傳輸損耗，即0.96 dB/cm，其截距1.56 dB代表制備波導的耦合損耗，耦合損耗是由于注入激光的模式和波導模式之間的差異以及樣品兩側表面的菲涅爾反射帶來的.

圖8 以寫入激光脈沖能量為1.8 μJ和寫入速度為40 μm/s所制備不同長度波導的插入損耗及傳輸損耗擬合.

根據上述截斷損耗測量法，表1和表2分別給出了圖2和圖3中不同參數所制備波導的傳輸損耗.從表1中可以看出，寫入脈沖能量固定為1.8 μJ時，在20 μm/s-160 μm/s的寫入速度范圍內，波導傳輸損耗隨著寫入速度增加而逐漸增加，這是因為波導寫入速度增加，對應波導區域正折射率修改值逐漸降低，波導對光的限制能力也逐漸降低，波導模場直徑會逐漸增加，而更大的模場區域會帶來更多的散射損耗，從而傳輸損耗逐漸增加；而寫入速度為10 μm/s時，波導區域折射率修改更大，波導限制光能力更強，但是從圖2 (a)中PCM圖片可知，高能量脈沖的沉積同時會帶來部分區域出現損傷痕跡，這種損傷對于波導的均勻性影響明顯，會帶來更大的散射損耗.因此，波導傳輸損耗升高至1.91 dB/cm.表2中，波導寫入速度固定為40 μm/s，在1.6 μJ-1.9 μJ的寫入脈沖能量范圍內，波導傳輸損耗隨著寫入脈沖能量增加而逐漸降低，這是由于波導寫入脈沖能量增加，超短脈沖激光對材料折射率修改值也逐漸增加，波導對光的限制能力逐漸提高，波導的模場直徑逐漸減小，較小的模場區域降低了對光的散射損耗，因此波導傳輸損耗逐漸降低；當寫入脈沖達到2.0 μJ時，波導區域折射率修改更大，模場直徑更小，但是圖3(e)所示波導PCM圖片顯示波導軌跡出現部分損傷，這種損傷帶來了較大的散射損耗，波導傳播損耗增加至2.0 dB/cm.

表1 寫入激光脈沖能量為1.8 μJ，不同寫入速度制備波導對應的傳播損耗

表2 寫入速度為40 μm/s，不同寫入激光脈沖能量制備波導對應的傳播損耗

4 結 論

本文采用狹縫整形橫向寫入方式，用超短脈沖激光在摻Er3+磷酸鹽玻璃內部制備了掩埋光波導結構，并詳細研究了寫入脈沖能量、寫入速度、脈沖寬度以及刻寫深度對波導形成的影響.實驗結果顯示寫入激光脈沖寬度為120 fs和寫入深度在125 μm-200 μm范圍時，波導制備效果最佳；在此參數下，控制寫入激光脈沖能量為1.8 μJ時，波導制備的寫入速度窗口為10 μm/s-160 μm/s；在寫入速度固定為40 μm/s時，波導制備的寫入脈沖能量窗口為1.6 μJ-2.0 μJ.近場模式測量結果表明波導導光性能良好，近場模式對稱分布.有限差分方法反推波導折射率分布顯示所制備波導中折射率修改值最高達到Δn=6.6×10-4.根據截斷測量法評估波導傳播損耗，所制備波導的傳播損耗低至0.91 dB/cm.實驗結果表明在摻Er3+磷酸鹽玻璃內部可以寫入低傳輸損耗的單模光波導，為下一步實現波導激光器和波導放大器等主動光波導器件提供了有力技術支持.