[論文レビュー] Femtosecond laser inscription of nonlinear photonic circuits in Gallium Lanthanum Sulphide glass

Maria Ramos, Belén Sotillo+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2018

Laser Material Processing Techniques参考文献 31被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、800 nmにおける非線形フォトニクスに適したガリウムランタンチウリッド（GLS）ガラスにおいて、フェムト秒レーザーインジェクションを用いて単モードで低損失な波ガイドを実現した。1.9 dB/cmの挿入損失を達成した。この技術は、材料の高い非線形屈折率を維持しており、方向的カップラーにおける光スイッチングにより確認された。マイクロラーマンおよびEDX分析により、組成に変化がなく、Ga-SおよびLa-S結合の再配置が屈折率上昇の原因であることが判明した。

ABSTRACT

We report on femtosecond laser writing of single mode optical waveguides in chalcogenide Gallium Lanthanum Sulphide (GLS) glass. A multiscan fabrication process was employed to create waveguides with symmetric single mode guidance and low insertion losses at 800 nm wavelength, compatible with Ti:Sapphire ultrafast lasers. {\mu}Raman and X-Ray microanalysis were used to elucidate the origin of the laser-induced refractive index change in GLS. Nonlinear refractive index measurements of the waveguides were performed by finding the optical switching parameters of a directional coupler, demonstrating that the nonlinear properties were preserved, evidencing that GLS is a promising platform for laser-written integrated nonlinear photonics.

研究の動機と目的

• Ti:Sapphireレーザー（800 nm）と互換性を持つ、低損失・単モード波ガイドをチャルコゲナイド系GLSガラスに実現すること。
• マルチスキャンフェムト秒レーザー加工プロセスを用いて、GLSガラスにおける対称的で低損失な波ガイドプロファイルを達成すること。
• 高度な特性評価を用いて、レーザー誘起屈折率変化の物理的起源を解明すること。
• すべての光スイッチング応用に適した、レーザー加工波ガイドにおける非線形光学的性質の保存を実証・定量すること。

提案手法

• 230 fs、1030 nmのYb:KGWレーザー（500 kHz繰り返し周波数）を用い、0.42 NAのレンズで焦点を合わせたマルチスキャンフェムト秒レーザー加工法を採用した。
• コンピュータ制御の3次元移動台とアコースティックオプティカルモジュレーターを用い、150 µmの深さでボトムGLSガラス内に波ガイドおよび方向的カップラーを正確にパターン形成した。
• 800 nmにおける挿入損失およびモードプロファイルを測定するため、バッティング接続された単モードファイバー、ビームプロファイラー、パワー計を用いて光学的特性評価を実施した。
• 自作の増幅Ti:Sapphireレーザーシステム（180 fs、2 kHz、800 nm）を用いて、方向的カップラーにおける光スイッチングを測定することで非線形特性評価を実施した。
• マイクロラーマン分光法（633 nm励起）およびエネルギー分散型透過電子顕微鏡（EDX）を用いて、局所的な構造的および組成的変化を分析した。
• ラーマンバンド強度比の分析およびBSE/EDX元素マッピングを用いて、屈折率変化と結合再配置の相関を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザーインジェクションは、800 nmでTi:Sapphire超高速レーザーと互換性を持つ、単モードで低損失な波ガイドをGLSガラスに形成可能か？
• RQ2 フェムト秒レーザー照射によって誘起されるGLSガラス内の屈折率上昇の物理的起源は何か？
• RQ3 レーザー加工後にGLSの固有の非線形光学的性質は、どの程度保持されているか？
• RQ4 レーザーパrameters（パルスエネルギー、スキャン速度）は、波ガイドの構造的整合性および光学的性能にどのように影響するか？
• RQ5 レーザー加工プロセスは、GLSネットワーク内での顕著な元素移動または組成変化を引き起こすか？

主な発見

• マルチスキャンフェムト秒レーザー加工法を用いて、800 nmにおける単モード波ガイドの挿入損失を1.9 dB/cmまで達成した。
• 波ガイドの非線形屈折率は、未加工GLSガラスと同程度のオーダーであり、強いキル非線形性が保持されていることが確認された。
• マイクロラーマン分光法により、波ガイド内での215 cm⁻¹のLa-S結合振動モードの相対強度が25%増加したことが判明し、結合再配置が示唆された。
• ラーマン強度マップでは、全ラーマン信号の均一な増加と、325 cm⁻¹のGaS₄四面体振動バンドの15%上昇が観察され、極化率の増大およびネットワークの密着化が示された。
• EDX元素マッピングにより、波ガイド内でのGa、La、Sの顕著な移動は認められず、イオン移動は屈折率変化の主なメカニズムではないことが示された。
• 高エネルギーレーザー（例：400 nJ）では、BSE像およびEDXにより、空洞形成と材料の飛散が観察され、ネットワーク損傷に起因する損失増加およびラーマン強度低下と相関した。