[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究展示了在硫镓镧（GLS）玻璃中通过飞秒激光直写技术制备单模、低损耗波导，适用于800 nm波段非线性光子学应用，实现1.9 dB/cm的插入损耗。该技术保持了材料的高非线性折射率，经定向耦合器光开关实验验证，微拉曼与EDX分析表明激光诱导的键重组（Ga-S与La-S）是折射率增加的根源，且未引起成分变化。

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.

研究动机与目标

• 开发适用于800 nm波段Ti:Sapphire激光器的低损耗、单模波导，用于硫属族GLS玻璃中的非线性光子学应用。
• 解决利用多扫描飞秒激光加工工艺在GLS中实现对称、低损耗波导剖面的挑战。
• 通过先进表征手段阐明飞秒激光诱导GLS中折射率变化的物理起源。
• 演示并量化激光直写波导中非线性光学特性的保持情况，用于全光开关应用。

提出的方法

• 采用多扫描飞秒激光直写技术，使用230 fs、1030 nm的Yb:KGW激光器，重复频率为500 kHz，通过0.42 NA物镜聚焦。
• 利用计算机控制的三维运动平台与声光调制器，在150 µm深度的块状GLS玻璃中精确加工波导与定向耦合器。
• 通过对接耦合单模光纤、光束轮廓仪与功率计进行光学表征，测量800 nm波长下的插入损耗与模场分布。
• 通过自建的放大Ti:Sapphire激光系统（180 fs，2 kHz，800 nm）进行非线性表征，测量定向耦合器中的光开关特性。
• 采用微拉曼光谱（633 nm激发）与能量过滤透射电子显微镜结合EDX分析局部结构与成分变化。
• 通过分析拉曼谱带强度比与BSE/EDX元素分布图，关联折射率变化与键重组行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 飞秒激光直写能否在800 nm波段实现GLS玻璃中单模、低损耗波导，且与Ti:Sapphire超快激光兼容？
• RQ2 飞秒激光辐照在GLS玻璃中诱导折射率增加的物理机制是什么？
• RQ3 激光直写后，GLS的本征非线性光学特性在多大程度上得以保持？
• RQ4 激光参数（脉冲能量、扫描速度）如何影响波导的结构完整性和光学性能？
• RQ5 激光直写过程是否引起GLS网络中显著的元素迁移或成分变化？

主要发现

• 通过多扫描飞秒激光直写工艺，在800 nm波段实现了插入损耗为1.9 dB/cm的单模波导。
• 测得波导的非线性折射率与原始GLS玻璃处于同一数量级，证实强克尔非线性得以保持。
• 微拉曼光谱显示波导区域内215 cm⁻¹处La-S键振动模的相对强度增加了25%，表明发生了键重组。
• 拉曼强度图显示总拉曼信号均匀增强，且325 cm⁻¹处GaS₄四面体振动带强度上升15%，表明极化率增强与网络致密化。
• EDX元素分布图显示波导区域内Ga、La与S无显著迁移，排除离子迁移作为折射率变化的主要机制。
• 在高激光脉冲能量（如400 nJ）下，BSE成像与EDX观察到孔洞形成与材料喷射，与网络损伤导致的损耗增加及拉曼强度下降相关。