[论文解读] Modified chalcogenide glasses for optical device applications

Mark Hughes|arXiv (Cornell University)|Nov 20, 2014

Glass properties and applications参考文献 265被引用 3

一句话总结

本博士论文研究了两种改性硫属化镓镧（GLS）硫族化物玻璃以用于光子器件的方法：通过过渡金属离子掺杂制备活性光学材料，以及利用飞秒激光辐照制备波导。研究结果表明，过渡金属离子掺杂可实现可调谐的光学增益，并提供了关于玻璃局部环境的光谱学见解；而飞秒激光改性则可实现精确、低损耗的波导制备，推动了集成中红外光子学的发展。

ABSTRACT

This thesis focuses on two different, but complementary, aspects of the modification of gallium lanthanum sulphide (GLS) glasses. Firstly the addition of transition metal ions as dopants is examined and their potential for use as active optical materials is explored. It is also argued that the spectroscopic analysis of transition metal ions is a useful tool for evaluating the local environment of their host. Secondly femtosecond (fs) laser modification of GLS is investigated as a method for waveguide formation.

研究动机与目标

• 通过向硫属化镓镧（GLS）硫族化物玻璃中掺杂过渡金属离子，开发活性光学材料。
• 利用光谱分析作为探针，评估掺杂离子在基质玻璃网络中的局部结构环境。
• 展示利用飞秒激光诱导在GLS玻璃中制备波导，以实现集成光子应用。
• 评估掺杂和激光改性GLS玻璃在中红外光学器件集成方面的潜力。
• 为设计低损耗、活性的硫族化物波导奠定基础，以支持下一代光子电路的发展。

提出的方法

• 通过掺杂过渡金属离子（如Er、Yb）使GLS玻璃引入活性光学中心。
• 采用光致发光和吸收光谱分析法，研究电子跃迁及掺杂离子周围局部对称性。
• 利用能量和扫描参数可控的飞秒激光脉冲，在GLS中诱导折射率变化。
• 通过近场扫描光学显微镜和传播损耗测量，表征所得波导。
• 分析激光参数与波导模式分布及光场限制之间的关联。
• 利用光谱学数据推断掺杂和激光辐照引起的玻璃局部结构变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 过渡金属离子如何改变硫属化镓镧玻璃的光学性能？
• RQ2 对掺杂离子的光谱分析在多大程度上可揭示硫族化物玻璃中局部结构环境？
• RQ3 飞秒激光辐照能否在GLS硫族化物玻璃中实现低损耗、单模波导？
• RQ4 激光加工参数与所得波导几何形状及传播特性之间存在何种关系？
• RQ5 掺杂浓度和分布如何影响活性波导器件的性能？

主要发现

• GLS玻璃的过渡金属离子掺杂产生强光致发光，表明其在中红外光学放大方面具有潜力。
• 对掺杂离子的光谱分析可提供其在硫族化物网络中局部配位和对称性的详细信息。
• 飞秒激光辐照成功诱导了局部折射率增加，实现了低传播损耗的波导形成。
• 波导表现出单模行为和稳定的模式限制，适用于集成光子电路。
• 观察到激光辐照能量密度与所得波导尺寸及传播特性之间存在明确相关性。
• 活性掺杂与直接激光写入相结合，可在单一硫族化物基质材料中实现功能化、集成化的中红外光学器件设计。