[논문 리뷰] Femtosecond laser inscription of nonlinear photonic circuits in Gallium Lanthanum Sulphide glass

Maria Ramos, Belén Sotillo외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 15.

Laser Material Processing Techniques참고 문헌 31인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 800 nm에서 비선형 광학을 위한 펌프 레이저로 사용 가능한 티티:사파이어 레이저와 호환되는 단일 모드, 저손실 파동도를 갖는 갈륨랜타노늄티오설파이드(GLS) 유리에 펌프스코프 레이저를 이용해 기록한 결과, 1.9 dB/cm의 삽입 손실을 달성하였다. 이 기술은 물질의 높은 비선형 굴절률을 유지하며, 방향성 커플러에서의 광학 스위칭을 통해 확인되었다. 마이크로 라만 및 EDX 분석을 통해 레이저에 의한 결합 재구성(Ga-S 및 La-S)이 성분 변화 없이 굴절률 증가의 원인임을 규명하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 800 nm에서 티티:사파이어 레이저와 호환되는 비선형 광학을 위한 단일 모드, 저손실 파동도를 갖는 셀레니드계 GLS 유리 개발.
• 다중스캔 펌프스코프 레이저 공정을 통해 GLS에서 대칭적이고 저손실 파동도 프로파일을 달성하는 데 도전.
• 고도화된 특성 분석을 통해 레이저에 의한 굴절률 변화의 물리적 기원 규명.
• 모든 광학 스위칭 응용을 위한 레이저 기록 파동도에서 비선형 광학 성질의 유지 및 정량화 시도.

제안 방법

• 230 fs, 1030 nm의 Yb:KGW 레이저(500 kHz 반복 주기)를 사용한 다중스캔 펌프스코프 레이저 기록 기술을 적용하였으며, 0.42 NA 목표 렌즈를 통해 집중하였다.
• 컴퓨터 제어 3차원 이동 스테이지와 초음파 광학 모듈레이터를 사용하여, 150 µm 깊이의 블록 GLS 유리 내에서 파동도 및 방향성 커플러를 정밀하게 패턴화하였다.
• 800 nm에서 삽입 손실과 모드 프로파일 측정을 위해 버트 커플링된 단일 모드 섬유, 빔 프로파일러 및 전력계를 사용하여 광학적 특성 분석을 수행하였다.
• 자체 제작된 증폭된 티티:사파이어 레이저 시스템(180 fs, 2 kHz, 800 nm)을 활용해 방향성 커플러에서의 광학 스위칭을 측정함으로써 비선형 특성 분석을 수행하였다.
• 마이크로 라만 분광법(633 nm 자극) 및 에너지 필터링 투과형 전자현미경을 이용한 EDX 분석을 통해 국소적 구조 및 조성 변화를 분석하였다.
• 라만 밴드 강도 비율 분석 및 BSE/EDX 원소 맵핑을 통해 굴절률 변화와 결합 재구성 간의 상관관계를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펌프스코프 레이저 기록을 통해 800 nm에서 티티:사파이어 초고속 레이저와 호환되는 단일 모드, 저손실 파동도를 GLS 유리에 기록할 수 있는가?
• RQ2 펌프스코프 레이저 조사에 의해 유도된 GLS 유리에서 굴절률 증가의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ3 레이저 기록 후 GLS의 고유 비선형 광학 성질은 어느 정도 유지되는가?
• RQ4 레이저 파arameter(파uls 에너지, 스캔 속도)는 파동도의 구조적 안정성과 광학 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 레이저 기록 공정이 GLS 네트워크 내에서 유의미한 원소 이동 또는 조성 변화를 유도하는가?

주요 결과

• 다중스캔 펌프스코프 레이저 기록 공정을 통해 800 nm에서 삽입 손실 1.9 dB/cm인 단일 모드 파동도를 달성하였다.
• 파동도의 비선형 굴절률은 원료 GLS 유리와 같은 주기대의 크기를 가지며, 강력한 킬러 비선형성 유지가 확인되었다.
• 마이크로 라만 분광법을 통해 파동도 내에서 215 cm⁻¹에서의 La-S 결합 진동 모드의 상대 강도가 25% 증가함을 확인하여 결합 재구성의 증거를 확보하였다.
• 라만 강도 맵 분석에서 총 라만 신호의 균일한 증가와 325 cm⁻¹에서의 GaS₄ 테트라헤드론 진동 모드 강도가 15% 상승함을 확인하여, 분극성 증가 및 네트워크의 조밀화를 나타내었다.
• EDX 원소 맵핑을 통해 파동도 내에서 Ga, La, S의 유의미한 이동이 관찰되지 않아 이온 이동이 굴절률 변화의 주요 메커니즘이 아니라는 점을 배제하였다.
• 고에너지 레이저 펄스(예: 400 nJ) 조건에서는 BSE 영상 및 EDX 분석을 통해 기포 형성과 물질 분출이 관찰되었으며, 이는 네트워크 손상으로 인한 손실 증가 및 라만 강도 감소와 관련이 있었다.